DE19629583A1 - Emitter and / or detector component for submillimeter-wave radiation and method for its production - Google Patents

Emitter and / or detector component for submillimeter-wave radiation and method for its production

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Abstract

The invention concerns a superconductive electronic component which displays specific properties of an emitter and/or detector for electromagnetic radiation in the submillimetre wave range. The component comprises a planar network of microbridges (webs) formed in a thin layer of a high-temperature superconductor. The latter is grown epitaxially on the substrate with the CuO2 planes either perpendicular or inclined at an angle THETA (1 DEG < THETA <89 DEG ) to the substrate surface. In this way, each microbridge receives a sequence of stacks of superimposed (intrinsic) Josephson contacts. The invention also concerns superconductive connections (series and parallel) between individual microbridges, whereby switching circuit parameters, such as adaptation of the impedance to the radiation space and maximizing of the radiated output, can be optimized. The frequency and intensity, for example, of the radiation field can be influenced (e.g. modulated) by external means of an electronic control. In particular, this component can continuously cover the frequency range between the far infrared and the microwave range. The invention also concerns some applications of the proposed component, covering both the emission and detection of electromagnetic radiation.

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Bauelement, Herstellungstechnologien und Anwen­ dungsfelder und insbesondere einen neuartigen Emitter und/oder Detektor für das Submillime­ terwellen-Gebiet, sowie dessen vielfältige Anwendungen.The invention relates to a superconducting component, production technologies and applications fields and in particular a novel emitter and / or detector for the submillime terwelle area, as well as its diverse applications.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions 1. Anordnungen natürlicher Josephson-Kontakte1. Arrangements of natural Josephson contacts

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- Kontakt eine zu geringe Leistung abstrahlt und zudem eine zu breite spektrale Verteilung auf­ weist, um als Mikrowellenstrahler praktische Anwendung zu finden. Diese Unzulänglichkeiten können bekanntermaßen über den Einsatz von Stapelfolgen von Josephson-Kontakten über­ wunden werden [Jain u. a. 1984; Bindslev Hansen und Lindelof 1984; Lukens 1990].The first findings on the usability of Josephson contacts as tunable Microwave emitters and detectors go back to the early work of B. Josephson and S. Shapiro back. However, it was recognized very early on that a single Josephson- Contact emits too little power and also has too wide a spectral distribution points to find practical application as a microwave radiator. These shortcomings are known to know about the use of stacking sequences of Josephson contacts become sore [Jain u. a. 1984; Bindslev Hansen and Lindelof 1984; Lukens 1990].

Sobald die Kopplung zwischen den Josephson Kontakten stark genug ist, kann es zu Selbst­ synchronisation 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 elektroma­ gnetischen 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].Once the coupling between the Josephson contacts is strong enough, it can go to itself synchronization with the effect of a coherent radiation emission from all contacts [Lukens 1990; Konopka 1994]. Possible coupling mechanisms and coupling strengths are have already been examined in detail [Jain u. a .; Lukens 1990]. The line width of the elektroma The genetic radiation emitted by the crystal stack decreases to the extent that the number of Josephson contacts in the array increases. It can become very small when there is a large number of Josephson contacts [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.The power of the emitted radiation also increases with the number of Josephson Contacts and can also be remarkable in large arrangements (P 1 mW), which for many practical applications are sufficient [Bindeslev Hansen and Lindelof 1984; Jain u. a. 1984; Knockout  nopka u. a. 1994; Wiesenfeld u. a. 1994]. It is important that a good impedance match to the Load resistance (e.g. the free space) is reached because otherwise most of the radiation does not emerge from the component, but is used up inside by multiple reflection.

Ein anderer Gesichtspunkt sind verschiedene Verlustmechanismen in den Kontakten. Bei­ spielsweise sind die Kapazitäten der Kontakte für einen Leistungsverlust bei höheren Frequen­ zen verantwortlich [Lukens 1990; Wiesenfeld u. a. 1994], was auf die Anwendung möglichst kleinflächiger Josephson-Kontakte hindeutet. Kleine Kontaktflächen sind auch günstig zur Ver­ ringerung 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 λj die Beziehung besteht, w 4λj.,[Kunkel und Siegel 1994]. Es ist auch klar, daß für eine optimale Phasensynchronisation die kritischen Ströme (Ic) durch alle Josephson-Kontakte sehr ähnlich sein müssen. Im allgemeinen wird eine Homogenität von mindestens ±5% in linearen Stapelfolgen gefordert [Konopka 1994].Another point of view are different loss mechanisms in the contacts. For example, the capacities of the contacts are responsible for a loss of power at higher frequencies [Lukens 1990; Wiesenfeld et al. 1994], which indicates the use of the smallest possible Josephson contacts. Small contact areas are also favorable for reducing the noise and the spectral line width [Kunkel and Siegel 1994; Konopka 1994 ]. The current flow through the contact becomes inhomogeneous as soon as the relationship exists between the width w of the transition and the Josephson penetration depth λ j , w 4λ j ., [Kunkel and Siegel 1994 ]. It is also clear that for optimal phase synchronization the critical currents (I c ) through all Josephson contacts have to be very similar. In general, a homogeneity of at least ± 5% in linear stacking sequences is required [Konopka 1994].

Die bisher genannten hohen Anforderungen können etwas abgeschwächt werden, wenn eine verteilte Anordnung äquidistanter Josephson-Kontakte entlang einer Ausbreitungsleitung ge­ wählt wird. Allerdings müssen hierbei der Abstand zwischen den Josephson-Kontakten und die gewählte Strahlungswellenlänge übereinstimmen [Kukens 1990; Han u. a. 1994]. Offenbar wird hierbei die Durchstimmbarkeit der Strahlungsfrequenz stark beschnitten, allerdings zugunsten einer wesentlich erhöhten Emissionsleistung.The high requirements mentioned so far can be somewhat weakened if one distributed arrangement of equidistant Josephson contacts along a propagation line is chosen. However, the distance between the Josephson contacts and the selected radiation wavelength match [Kukens 1990; Han et al. a. 1994]. Apparently it will the tunability of the radiation frequency was severely curtailed, but in favor a significantly increased emission performance.

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 Anordnun­ gen von 100 solcher Josephson-Kontakte nachgewiesen [Han u. a. 1993]. In einigen Fällen 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 Fällen 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 = 50 µW bei einer Frequenz von ν = 400-500 GHz wurde in einer verteilten Anordnung von 500 Josephson-Kontakten nachgewiesen [Han u. a. 1994]. In einem anderen Schaltkreis (Anordnung von 10×10 Kontakten) ist Strahlung mit einer Linienbreite von Δν = 10 kHz und einer Durchstimmbarkeit von ν = 53 - 230 GHz [Booi und Benz 1994] gemessen worden.There have been numerous experimental studies on the arrangement of Josephson contacts, and some remarkable results have been achieved. Most of them are based on conventional superconductors with low transition temperatures, such as. B. Nb / Al-AlO x / Nb three-layer structures. Complete phase synchronization has been demonstrated in linear arrangements of 100 such Josephson contacts [Han et al. 1993]. In some cases, a broadband antenna (e.g. logarithmic spiral antenna, etc.) was integrated on the chip, and the radiation emitted to the outside was measured. In other cases, a further Josephson contact was coupled as a detector to the arrangement of the radiation emitters via a propagation line. Some of the best results achieved are as follows: An emission of P = 50 µW at a frequency of ν = 400-500 GHz has been demonstrated in a distributed arrangement of 500 Josephson contacts [Han et al. 1994]. In another circuit (arrangement of 10 × 10 contacts) radiation with a line width of Δν = 10 kHz and a tunability of ν = 53 - 230 GHz [Booi and Benz 1994] was measured.

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 Erwar­ tungshaltung für eine Supraleitungselektronik bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs und darüber entstanden. In der Tat sind seitdem in Dutzenden von Forschungslabors der Welt Jo­ sephson-Kontakte in diesen neuen Werkstoffen nach mehreren verschiedenen Techniken er­ zeugt worden. Es wurde die Strahlungsemission als Folge des Josephson-Wechselstromes in künstlichen Josephson-Kontakten in Hochtemperatur-Supraleitern gemessen und analysiert [Kunkel und Siegel 1994]. In der gleichen Arbeit hat man Phasensynchronisation in Stufen­ kontakten über ein breites Frequenzband von ν = 80-500 GHz nachgewiesen. In größeren An­ ordnungen (Arrays) konnte nur eine teilweise (bis zu 4 Josephson-Kontakte) und zudem insta­ bile 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-Übergängen aus nebeneinander liegenden Stufenkontakten untersucht, wie­ derum mit nur teilweiser Phasensynchronisation und sehr geringer Strahlungsleistung [Kunkel und Siegel 1994].With the discovery of high-temperature superconductors in La-Ba-Cu-O by G. Bednorz and KA Müller in 1986, and the associated increase in critical temperature in similar copper oxide (cuprate) compounds up to T c <160K, has created an enormous expectation for superconducting electronics at the temperature of liquid nitrogen and above. In fact, dozens of research laboratories around the world have made Jo sephson contacts in these new materials using several different techniques. The radiation emission as a result of the Josephson alternating current in artificial Josephson contacts in high-temperature superconductors was measured and analyzed [Kunkel and Siegel 1994]. In the same work, phase synchronization in step contacts over a broad frequency band of ν = 80-500 GHz was demonstrated. In larger arrangements (arrays), only a partial (up to 4 Josephson contacts) and also unstable phase synchronization could be achieved [Konopka 1994]. The reason has been found to be that this is a result of the inhomogeneity (dissimilarity) of such step contacts in high-temperature superconductor-Josephson contacts, where critical current variations of up to ± 50% occur [Konopka 1990]. In another work, arrays of 5 and 10 Josephson junctions from adjacent step contacts are investigated, in turn with only partial phase synchronization and very low radiation power [Kunkel and Siegel 1994].

In mehreren Veröffentlichungen werden spektakuläre Aussagen über vielversprechende zu­ künftige Anwendungen von in Gruppen angeordneten Josephson-Kontakten gemacht. Bei­ spielsweise 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 Schwierig­ keiten nicht praktisch umgesetzt worden. Es wird im allgemeinen davon ausgegangen, daß für spektroskopische Anwendungen eine abgestrahlte Leistung von 0.1-1 mW bei kontinuierli­ cher Durchstimmbarkeit erforderlich ist. Und eben dies ist bisher nicht gelungen [Konopka u. a. 1994]. In several publications, spectacular statements about promising to be future applications of grouped Josephson contacts made. At for example, applications as generators and detectors of radiation in the GHz and THz area predicted [Jain u. a. 1984], and even more specific in radio astronomy and radio spectroscopy of heavy molecules [Konopka 1994], in voltage normals [Ono u. a. 1995], etc. So far, all of these applications have been difficult because of the above have not been put into practice. It is generally believed that for spectroscopic applications a radiated power of 0.1-1 mW with continuous tunability is required. And so far this has not succeeded [Konopka u. a. 1994].  

In der US-PS 3,725,213 wird ein supraleitendes Barriere-Bauelement und seine Herstellungs­ technologie beschrieben, das neben anderen Zielstellungen auch als Generator und Detektor für Millimeterwellen- und Submillimeterwellen-Strahlung geeignet ist und sich auf eine granulare Struktur des supraleitenden Materials stützt. Während eine höhere Strahlungsleistung bzw. Empfindlichkeit durch die Summation von vielen Josephson-Kontakten zwischen Kristallkör­ nern zustande kommen soll, bestehen wenig Möglichkeiten für eine reproduzierbare Fertigung, elektronische Steuerung, Phasensynchronisation und Impedanzanpassung an das Vakuum. Die­ ses Bauelement kann über ein strom-impuls-induziertes Magnetfeld zwischen den beiden Zu­ ständen normalleitend und supraleitend geschaltet werden, jedoch wird eine Steuerung der emittierten Strahlungsfrequenz über das magnetfeldabhängige Energiegap nicht versucht.US Pat. No. 3,725,213 describes a superconducting barrier component and its production technology, which is also used as a generator and detector for Millimeter wave and sub millimeter wave radiation is suitable and is based on a granular Structure of the superconducting material supports. While a higher radiation power or Sensitivity due to the summation of many Josephsonian contacts between crystal bodies there are few opportunities for reproducible production, electronic control, phase synchronization and impedance matching to the vacuum. The This component can use a current-pulse-induced magnetic field between the two contacts be switched normally and superconducting, however, a control of the emitted radiation frequency over the magnetic field-dependent energy gap not tried.

Ein supraleitendes Bauelement wird in der US-PS 4,837,604 beschrieben, das vertikale Sta­ pelfolgen von Josephson-Kontakten und eine serielle Zusammenschaltung von Stapelfolgen anwendet. Es ist als Schalter mit 3 elektrischen Kontakten ausgebildet und soll einfache Jo­ sephson-Kontakte bzw. laterale Anordnungen solcher Kontakte in analogen und digitalen Schaltanordnungen ablösen. Strahlungsemission ist keine Zielstellung für das Bauelement, noch wurde seine technische Auslegung eine solche Zielstellung erlauben.A superconducting device is described in US Pat. No. 4,837,604, the vertical Sta Sequences of Josephson contacts and serial interconnection of stack sequences applies. It is designed as a switch with 3 electrical contacts and is intended to be simple Jo sephson contacts or lateral arrangements of such contacts in analog and digital Replace switching arrangements. Radiation emission is not a goal for the device, yet his technical interpretation would allow such a goal.

In der US-PS 5,114,912 wird ein Hochfrequenz-Oszillator beschrieben, der sich auf eine in der Fläche liegende Anordnung von Josephson-Kontakten gründet. Er wird über eine Gleichstrom­ quelle angeregt, und die Frequenz kann über diesen Gleichstrom durchgestimmt werden. Im­ pedanzanpassung kann über die Wahl der Anzahl von Josephson-Kontakten in der flächigen Anordnung, bzw. durch Anschluß entsprechender Shunt-Widerstände erreicht werden. Als Anwendung wird ein durchstimmbarer Gleichstrom-Wechselstrom-Konverter im GHz-Gebiet und selbst bis zu THz-Frequenzen angegeben.In US Pat. No. 5,114,912, a high-frequency oscillator is described which relates to one in the Flat lay arrangement of Josephson contacts establishes. It is powered by a direct current source excited, and the frequency can be tuned using this direct current. In Pedance adjustment can be done by choosing the number of Josephson contacts in the area Arrangement, or by connecting appropriate shunt resistors. As A tunable DC-AC converter is used in the GHz range and even specified up to THz frequencies.

Ein Nachteil dieses Bauelements ist seine ausdrückliche Beschränkung auf eine 2-dimensionale flächige Anordnung von nebeneinander liegenden Josephson-Kontakten auf einem Chip. Eine solche Geometrie impliziert eine strenge Limitierung der maximal möglichen Zahl von Jo­ sephson-Kontakten. Namentlich liegt die minimale Fläche eines einzelnen Kontaktes wegen der begrenzten Leistungsfähigkeit der Photolithographie bei etwa 1 µm², Die Anforderungen an die Gleichmäßigkeit sind hoch, es wird ein beachtlicher kritischer Strom benötigt (nicht weni­ ger als 1 mA für optimale Leistung), der zudem über Leitungen mit niedrigem Kontaktwider­ stand zuzuführen ist. Andererseits beschränkt die Forderung zur Phasensynchronisation die Längsausdehnung des Bauelements auf etwa λ/4, ein Wert, der für eine Frequenz von 1 THz bei etwa 75 mm liegt. Läßt man geringfügige Abstände zwischen den Kontakten zu, dann kann man maximal mit ein- bis zweitausend solcher Einzelelemente rechnen. In der Praxis wurden Anordnung von 10×10 = 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 erfindungsgemäß 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 An­ wendungen, die mit flächigen (planaren) Anordnungen, wie dort dargestellt, nicht möglich sind.A disadvantage of this component is its explicit limitation to a two-dimensional one two-dimensional arrangement of adjacent Josephson contacts on one chip. A such geometry implies a strict limitation of the maximum possible number of Jo sephson contacts. The minimum area of a single contact is due to the limited performance of photolithography at about 1 µm², the requirements the uniformity is high, a considerable critical current is required (not a little less than 1 mA for optimal performance), which is also resistive via cables with low contact stand must be fed. On the other hand, the requirement for phase synchronization limits the  Longitudinal expansion of the component to about λ / 4, a value that for a frequency of 1 THz is about 75 mm. If you allow small distances between the contacts, then you can one can expect a maximum of one to two thousand such individual elements. In practice Arrangement of 10 × 10 = 100 contacts realized. As already explained, such provides Component design not the minimum performance required for interesting applications from 0.1-1 mW. It should be pointed out that the alternative proposed according to the invention Designs allow a much higher packing density of Josephson contacts with the The prospect of a significantly higher output and thus a large number of new products Turnings that are not possible with flat (planar) arrangements, as shown there.

In der EP 446146 wird ein Dreischicht-Josephson-Kontakt beschrieben, der zu beiden Seiten supraleitende Elektroden aufweist, die aus LyBa₂Cu₃O₄bestehen (Ly ist Y oder ein Seltenes Erdmetall, 6<y7). Die nicht supraleitende Barriere besteht hier aus Bi₂YxSryCuzOw, 0 x 2, 1 y 3, 1 z 3 und 6 w 13. Es fehlen jedoch Angaben zu den Eigenschaften des Bau­ elements (wie z. B. Ic, Rn, I-V-Kennlinie, Mikrowellenmodulation) oder zur Darstellung von lateralen oder vertikalen Stapelstrukturen und deren möglicher Anwendungen.EP 446146 describes a three-layer Josephson contact which has superconducting electrodes on both sides which consist of L y Ba₂Cu₃O₄ (L y is Y or a rare earth metal, 6 <y7). The non-superconducting barrier here consists of Bi₂Y x Sr y Cu z O w , 0 x 2, 1 y 3, 1 z 3 and 6 w 13. However, information on the properties of the component (such as I c , R n , IV characteristic, microwave modulation) or for the representation of lateral or vertical stack structures and their possible applications.

Ein magnetischer Steuerungsmodus für die emittierte oder detektierte Strahlungsfrequenz wird in der EP 513,557 beschrieben, wo das erfindungsgemäße Bauelement aus vertikalen Stapel­ folgen von Josephson-Kontakten besteht, die zudem seitlich aufgebrachte galvanische An­ schlüsse 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.A magnetic control mode for the emitted or detected radiation frequency is used described in EP 513,557, where the component according to the invention consists of vertical stacks follow from Josephson contacts, there is also the galvanically connected to the side have conclusions. Between each pair of adjacent superconductors / barriers / superconductors Structures (SIS structures) a further superconducting layer is provided, which is characterized by a Insulator layer is separated on both sides from the adjacent Josephson contact. This layer should serve to control the individual component: By running a current over the side Conducting contacts through this control layer (see also US Pat. No. 3,725,213) is said to be a magnetic field can be generated, which affects the energy gap of the Josephson contact.

Dieses Bauelement hat mehrere Nachteile, die seine praktische Realisierung im Rahmen der gegenwärtig bekannten Werkstoffeigenschaften und verfügbaren Mikrofabrikations- Technologien unmöglich machen. Insbesondere erfordert (i) seine Herstellung die Abscheidung supraleitender Kontakte von etwa 0.01 µm Breite über isolierenden Schichten an zwei gegen­ überliegenden Seitenflächen von senkrecht dazu gewachsenen Stapelstrukturen mit Josephson- Kontakten. Dafür ist gegenwärtig keine Technologie verfügbar. Es sind des weiteren (ii) keine Supraleiter bekannt, die solch große Ströme zur Erzeugung der erforderlichen hohen Magnet­ feldstärken aushalten können, die man zur Verringerung des Energiegaps in Hochtemperatur- Supraleitern in den Grenzen der erforderlichen geometrischen Bauelementeabmessungen benö­ tigen würde. Selbst unter der Annahme, daß dies irgendwie möglich wäre, wurde (iii) das Ma­ gnetfeld einer bestimmten Steuerschicht mehr als nur einen Josephson-Kontakt beeinflussen, zu unerwünschtem "cross-talk" zwischen mehreren Josephson-Kontakten führen und die Paten­ tabsicht vereiteln. Schließlich wäre (iv) die abgestrahlte Leistung zu gering für viele Anwen­ dungen, da eine Schaltkreis-Optimierung der Josephson-Kontakte zur Impedanzanpassung an den Außenraum nicht vorgesehen ist.This component has several disadvantages, which its practical implementation under the currently known material properties and available microfabrication Make technologies impossible. In particular, (i) its manufacture requires deposition superconducting contacts of about 0.01 µm width over insulating layers on two against overlying side surfaces of stack structures grown perpendicular to it with Josephson Contacts. No technology is currently available for this. Furthermore, they are (ii) none Superconductors are known to have such large currents to generate the high magnet required  field strengths that can be used to reduce the energy gas in high-temperature Superconductors within the limits of the required geometric component dimensions would do. Even assuming that this was somehow possible, (iii) the Ma gnetfeld affect a certain control layer more than just a Josephson contact undesirable "cross-talk" between multiple Josephson contacts and the sponsors thwart tab view. After all, (iv) the radiated power would be too low for many users due to a circuit optimization of the Josephson contacts for impedance matching the outside space is not provided.

2. Natürliche Stapelfolgen von Josephson-Kontakten in Kupferoxid-Supraleitern2. Natural stacking sequences of Josephson contacts in copper oxide superconductors

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 Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-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 durch­ aus ein Suprastrom in Richtung der c-Achse fließen. Das impliziert jedoch die Eigenschaft, daß die planaren 2-dimensionalen supraleitenden Stäbchen über Josephson-Tunneln schwach ge­ koppelt sind.In the very first publication on copper oxide superconductors, J.G. Bednorz and K.A. Müller 1986 the opinion that La-Ba-Cu-O due to its distinctive layer structure is a quasi two-dimensional superconductor. Subsequently, this hypothesis was confirmed by a Large number of experimental results confirmed in various cuprate superconductors [e.g. B. Bozovic 1991], being direct evidence in the observation of superconductivity in Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ layers the thickness of a unit cell is [Bozovic u. a. 1994]. Of further is the critical current along the c-axis (i.e. perpendicular to the CuO₂ layers) much smaller than in the direction parallel to the CuO₂ levels. It is not zero, i. that is, it can by flow from a supra current in the direction of the c-axis. However, this implies the property that the planar 2-dimensional superconducting rods over Josephson tunnels are weak are coupled.

In anderen Worten gesagt, kann man Cuprat-Supraleiter als natürliche (intrinsische) Stapelfol­ gen von Josephsen-Kontakten mit einem Abstand von 6 . . . 25 Å auffassen. Ein theoretisches Modell für eine Stapelfolge von Josephson-gekoppelten supraleitenden Schichten wurde be­ reits vor 25 Jahren veröffentlicht [von Lawrence und Doniach 1971], und seitdem umfang­ reich untersucht. Die Vorhersagen des Modells betreffen eine nichtlineare Strom-Spannungs- (I-V)-Kennlinie, mikrowellenstrahlungsinduzierte I-V Stufen (Shapiro-Stufen), und die Mikro­ wellenemission durch Anlegen von Gleichspannung.In other words, cuprate superconductors can be considered a natural (intrinsic) stacking film of Josephsen contacts with a distance of 6. . . Take 25 Å. A theoretical one A model for a stacking sequence of Josephson-coupled superconducting layers was developed already published 25 years ago [by Lawrence and Doniach 1971], and since then extensive richly examined. The model's predictions relate to a nonlinear current-voltage (I-V) characteristic curve, microwave radiation-induced I-V stages (Shapiro stages), and the micro wave emission by applying DC voltage.

Tatsächlich wurden all diese Eigenschaften in Cuprat-Supraleitern beobachtet, zuerst in Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ [Kleiner u. a. 19921 und danach auch in (PbyBi1-y)₂Sr₂CaCu₂O₈, Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀, usw. [Kleiner und Müller 1994; Müller 1994, 1996, sowie durch weitere Gruppen, R´gi 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 Einkri­ stallen 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 allge­ meinen 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 Jo­ sephson-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 Strah­ lungsemission als Überlagerung kohärenter (schmalbandiger) Strahlung ergeben, was auch be­ obachtet 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 Quer­ schnittsfläche der Mesa-Strukturen führt. Die bisher gemessene höchste Frequenz emittierter Strahlung liegt bei ν=95 GHz, was allerdings die Folge unzureichender Labor- Nachweistechnik ist [Müller 1996].In fact, all of these properties were observed in cuprate superconductors, first in Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ [Kleiner et al. 19921 and then also in (Pb y Bi 1-y ) ₂Sr₂CaCu₂O₈, Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀, etc. [Kleiner and Müller 1994; Müller 1994, 1996, as well as through other groups, R´gi and others 1994, Irie and others 1994, Schmidl and others 1995, Yasuda and others 1996, Tanabe and others 1996, Yurgens and others 1996, Seidel and others 1996, Xiao and others 1996]. Most of these results were found in small single crystals, but mesa structures were also etched from single crystals or thin layers [Schlenga et al. 1995]. In some cases, phase synchronization of more than 1000 Josephson contacts was achieved [Schlenga et al. 1995], but in general only partially achieved, as shown by the large number of branches in the IV characteristics (in all previous work). In particular, if the Jo sephson contacts belonging to a stack are not all identical, ie if their critical current differs from contact to contact, they do not return to the normal conducting state at the same point on the characteristic curve as soon as the current flow is increased . As a result, the radiation emission must result from the 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 for defining the mesa structures, which also leads to differences in the cross-sectional area of the mesa structures. The highest frequency of emitted radiation measured so far is ν = 95 GHz, which is, however, the result of inadequate laboratory detection technology [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].No practically usable components or applications have been reported so far, although there is evidence of the use of possible future emitters of submillimeter radiation are sufficient [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 zeig­ ten, bleiben die I-V-Kennlinien und andere Eigenschaften dieser Mesa-Strukturen weit hinter denjenigen idealer phasensynchronisierter Stapelfolgen von Josephson-Kontakten zurück. Ins­ besondere liegt die emittierte Mikrowellenleitung nur im pW-Gebiet, was gleichbedeutend da­ mit ist, daß solche Stapelfolgen für praktische Anwendungen uninteressant sind.Although such mesa structures in thin cuprate layers are nonlinear I-U characteristics with numerous branches and switching between branches, hysteresis, as well as through Shapiro steps caused by microwave radiation, and even show microwave emission ten, the I-V characteristics and other properties of these mesa structures remain far behind ideal phase-synchronized batch sequences of Josephson contacts. Ins In particular, the emitted microwave line is only in the pW area, which is synonymous there with is that such stacking sequences are of no interest for practical applications.

Dafür sind 3 Hauptgründe verantwortlich: (a) Die Josephson-Kontakte waren nicht uniform bezüglich ihrer Werte von Ic und RN; (b) Die Flächen der Josephson-Kontakte waren im allge­ meinen zu groß, typischerweise etwa 30×3 µm² ≈ 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 in Cuprat-Supraleitein weisen relativ große kritische Stromdichten in c-Achsen-Richtung auf (10⁴-10⁶ A/cm²), so daß solche Kontakte bei weitem zu große kritische Ströme haben, 100 mA und darüber. Große Josephson-Kontakte zeigen viele komplexe Anregungsmoden, Supraströ­ 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 Pha­ sensynchronisation erschwert wird und die kritischen Ströme inhomogen werden. In extremen Fällen brennen die Josephson-Kontakte durch.There are three main reasons for this: (a) The Josephson contacts were not uniform in their values of I c and R N ; (b) The areas of the Josephson contacts were generally too large, typically about 30 × 3 µm² ≈ 10 -5 ; and (c). The components were not optimized with regard to their impedance matching to the free space. As a result of (a) and (b), phase synchronization is not perfect, unstable and random. Natural Josephson contacts in cuprate superconductors have relatively large critical current densities in the c-axis direction (10⁴-10⁶ A / cm²), so that such contacts have by far too large critical currents, 100 mA and above. Large Josephson contacts show many complex excitation modes, super currents flowing in both directions, Fluxon movement, etc. Although these problems are known, the scientists in the groups mentioned were unable to significantly increase the contact area due to excessive electrical resistances to reduce. 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.

3. Dünne Schichten aus Hochtemperatur-Supraleitern mit a-Achsen Orientierung3. Thin layers of high-temperature superconductors with a-axis orientation

Eine aktuelle Entwicklung, die zur praktischen Umsetzung in ein neuartiges Bauelement geeig­ net ist, besteht in einer Technologie zur Züchtung dünner Hochtemperatur-Cuprat-Supraleiter, in denen die CuO₂-Ebenen nicht parallel zum Substrat angeordnet sind. Diese können tatsäch­ lich durchweg senkrecht zum Substrat stehen, und wir wollen eine solche Dünnschicht als "a- Achsen" orientierte Schicht bezeichnen. Dieser Name ist abgeleitet von dem spezifischen Fall, daß die einkristalline Schicht in einer solchen epitaxialen Beziehung zum Substrat gezüchtet wird, daß die a-Achse senkrecht zur Oberfläche des Substrats steht. Wir wollen diesen Fall nicht von demjenigen unterscheiden, daß die b-Achse (in orthorhombischen Kristallen mit a ≠ b) senkrecht auf dem Substrat steht, sowie auch wenn die a-Achse willkürlich geneigt ist, so­ lange nur die c-Achse parallel zur Substratoberfläche verläuft, d. h. also, solange die CuO₂- Ebenen senkrecht auf der Substratoberfläche stehen.A current development that is suitable for practical implementation in a new component is a technology for growing thin high-temperature cuprate superconductors, in which the CuO₂ levels are not arranged parallel to the substrate. These can actually consistently perpendicular to the substrate, and we want such a thin layer as "a- Axes "are oriented layers. This name is derived from the specific case that the single crystal layer is grown in such an epitaxial relationship with the substrate is that the a-axis is perpendicular to the surface of the substrate. We want this case do not differ from that that the b axis (in orthorhombic crystals with a ≠ b) is perpendicular to the substrate and also if the a-axis is arbitrarily inclined, so as long as only the c-axis runs parallel to the substrate surface, d. H. so as long as the CuO₂- Layers are perpendicular to the substrate surface.

Unter Verwendung einer ähnlichen üblicherweise akzeptierten (obgleich ungenauen) Termino­ logie werden wir die ganze Gruppe epitaxialer Orientierungen, bei denen die CuO₂-Ebenen ei­ nen von 90° oder 0° verschiedenen Winkel zum Substrat annehmen, in dem Begriff "geneigte a-Achsen"-Schicht zusammenfassen. Eine feinere Unterscheidung und eine genauere Beschrei­ bung ist durchaus möglich, beispielsweise unter Verwendung des Konzepts der Millerschen In­ dizes von Substrat-Oberfläche (auf der die dünne Schicht abzuscheiden ist) und Dünnschicht- Oberfläche. Das allerdings ist für die hier geführte Diskussion nicht erforderlich.Using a similar commonly accepted (though inaccurate) termino We will use the entire group of epitaxial orientations in which the CuO₂ planes are identical assume an angle to the substrate other than 90 ° or 0 °, in the term "inclined summarize a-axis "layer. A finer distinction and a more precise description Exercise is quite possible, for example using the concept of Miller's In indices of substrate surface (on which the thin layer is to be deposited) and thin layer Surface. However, this is not necessary for the discussion here.

Die bei weitem größte Gruppe erzeugter und qualitativ hochwertiger Dünnschichten von Hochtemperatur-Supraleitern haben die c-Achsen-Orientierung (d. h. bei ihnen stehen die CuO₂-Ebenen parallel zur Substratoberfläche). 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 ge­ richtet 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.By far the largest group of high quality thin films produced by High-temperature superconductors have the c-axis orientation (i.e. they are with them CuO₂ levels parallel to the substrate surface). The reason for this is the strong anisotropy phy  physical properties of layered cuprates, including growth rates in different crystallographic directions. Nevertheless, there is considerable effort the ge on the cultivation of "a-axis" oriented and "inclined a-axis" layers are directed, whereby the main motive stems from the much greater coherence length in Use the direction of the a-axis for three-layer Josephson contacts. The following will be some of the most successful breeding experiments of this kind are reported.

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 Charakteri­ stik und zusätzlichen Pufferschichten zur Anwendung [Tanimura u. a. 1993]. Die gewünschte geneigte a-Achsen-Orientierung wurde mittels RHEED (Beugung hochenergetischer Elektro­ nen in Reflexionslage) und TEM (Transmissions-Elektronenmikroskopie) in Querschnittsab­ bildung sowie durch die Messung von Transporteigenschaften nachgewiesen.There have already been thin Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ layers with 45 ° inclined CuO₂ levels Magnetron sputter technology deposited on SrTiO₃ substrates with an angle of 5 ° deviate from the (110) direction. MgO substrates also came with the same characteristics stik and additional buffer layers for use [Tanimura u. a. 1993]. The desired inclined a-axis orientation was determined using RHEED (diffraction of high-energy electro reflection) and TEM (transmission electron microscopy) in cross-section education as well as by measuring transport properties.

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 Nd1+xBa2-xCu₃O7-d wurden direkt auf (100)-orientierte SrTiO₃ Substrate mittels Laser-Aufdampftechnik gebracht, wobei im wesentlichen besondere Sorgfalt auf die richtige Einstellung der Wachstumsparameter ge­ richtet war [Badaye u. a. 1995].Essentially completely a-axis-oriented YBa₂Cu₃O Schichten layers were obtained on (100) -oriented LaSrCaO₄ substrates with a PrBa₂Cu₃O₇ buffer layer by means of single target sputtering [Suzuki et al. 1993]. Similar oriented films made of Nd 1 + x Ba 2-x Cu₃O 7-d were applied directly to (100) -oriented SrTiO₃ substrates using laser vapor deposition, whereby special care was taken to set the growth parameters correctly [Badaye et al. 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.These examples demonstrate that it is technically possible to "a-axis" oriented and "inclined to produce a-axis "layers of high quality from cuprate superconductors. An embodiment the invention is based on the above facts.

Ziel der ErfindungAim of the invention

Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, Mittel bereitzustellen, die die oben diskutierten Nach­ teile und Schwierigkeiten bekannter Lösungen zu umgehen gestatten und ein Bauelement zu entwickeln, das die diskutierten Nachteile vermeidet.It is an object of the present invention to provide means which achieve the effects discussed above allow parts and difficulties to bypass known solutions and a component develop that avoids the disadvantages discussed.

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 flä­ chigen (2-dimensionalen) Anordnung anwendet, so daß die Erzeugung von Mikrowellenlei­ stung oder die Empfindlichkeit zum Nachweis von Mikrowellenstrahlung beträchtlich erhöht wird.It is another object of the present invention to provide a novel radiation emitter and detector for electromagnetic radiation in the submillimeter wave range make a large number of stacking sequences of Josephson contacts in one area chigen (2-dimensional) arrangement applies, so that the generation of microwave  or the sensitivity to detect microwave radiation is considerably increased becomes.

Es ist eine weitere Zielstellung der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Strahlungsemitter im Submillimeterwellen-Gebiet mit einer solchen Impedanz verfügbar zu machen, daß Impe­ danzanpassung an den die Strahlung aufnehmenden Raum erzielt wird, wodurch die ab­ gestrahlte Leistung maximale Werte annimmt.It is another object of the present invention to provide a novel radiation emitter in the submillimeter wave region with such an impedance that Impe danz adaption to the radiation receiving space is achieved, whereby the ab radiated power takes maximum values.

Es ist eine weitere Zielstellung der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Strahlungsemitter im Submillimeterwellen-Gebiet verfügbar zu machen, der eine sehr geringe Emissionslinien­ breite (weniger als den millionsten Teil der Strahlungsfrequenz) innerhalb seines bis zu einigen THz reichenden Submillimeterwellen-Bandes aufweist.It is another object of the present invention to provide a novel radiation emitter to make available in the submillimeter wave area, which has very low emission lines width (less than a millionth of the radiation frequency) within its up to a few THz-reaching submillimeter wave band.

Es ist eine weitere Zielstellung der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Strahlungsemitter und -detektor im Submillimeterwellen-Gebiet mit einer elektronischen Steuerung zur kontinu­ ierlichen Veränderung der Emissionsfrequenz bzw. der Detektionsfrequenz über einen breiten spektralen Bereich zu schaffen.It is another object of the present invention to provide a novel radiation emitter and detector in the submillimeter wave area with an electronic controller for continuous ier change in the emission frequency or the detection frequency over a wide to create spectral range.

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.It is another object of the present invention to provide a novel radiation emitter and detector in the submillimeter wave area to create its emitted microwaves radiation can be electronically modulated or switched on and off, which is also true corresponds to fast electronic switches for superconducting electronics.

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.It is another object of the present invention to provide a novel radiation emitter and detector in the submillimeter wave area, which have the functions emission and Detection independently, in channels with different frequencies or electrically variable and controlled frequencies.

Es ist eine weitere Zielstellung der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Strahlungsemitter und -detektor im Submillimeterwellen-Gebiet zu schaffen, der eine Inversion des Emissions- und Detektionsmodus mit externen elektronischen Mitteln erlaubt.It is another object of the present invention to provide a novel radiation emitter and detector in the submillimeter wave area, which inverses the emission and detection mode allowed with external electronic means.

Es ist eine weitere Zielstellung der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Strahlungsemitter und -detektor im Submillimeterwellen-Gebiet zu schaffen, der für eine Einbeziehung in Supra­ leiter/Halbleiter-Hybridschaltungen geeignet ist. It is another object of the present invention to provide a novel radiation emitter and detector in the submillimeter wave area, which is intended for inclusion in Supra conductor / semiconductor hybrid circuits is suitable.  

Darlegung des Wesens der ErfindungState the nature of the invention

Diese Zielstellungen werden mit der vorliegenden Erfindung eines zweidimensionalen Netz­ werks 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 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen und Anwendungen der Erfindung geben die Ansprüche 2 bis 12 und 14 bis 19 an.These objectives are achieved with the present invention of a two-dimensional network of superconducting micro bridges with stacking sequences of (native) Josephson contacts achieved, parts of the network grouped in a predetermined manner and (serial, parallel) interconnected, as well as via contacts with an external electronic control unit can be operated. In particular, the task is performed in the characterizing part of claim 1 and claim 13 specified features. Advantageous design gene and applications of the invention, claims 2 to 12 and 14 to 19.

AusführungsbeispielEmbodiment

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

Fig. 1 Eine Einheitszelle des Kristalls eines Hochtemperatur-Supraleiters, die eine CuO₂- Ebene enthält, Fig. 1 A unit cell of the crystal of a high-temperature superconductor which contains a CuO₂- plane,

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

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

Fig. 4.A Eine Mikrobrücke, die aus einem Hochtemperatur-Supraleiter mit "a-Achsen"­ orientierter Wachstumsrichtung hergestellt wurde. Fig. 4.A A microbridge made from a high temperature superconductor with "a-axis" oriented growth direction.

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

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

Fig. 6.A Eine parallele Anordnung von Mikrobrücken, die jeweils Stapelfolgen natürlicher Jo­ sephson-Kontakte enthalten, hergestellt aus einer epitaxialen "a-Achsen"- bzw. "geneigten a- Achsen"-Schicht durch chemisches oder Ionen-Ätzen von Gräben, die die Mikrobrücken ge­ geneinander elektrisch isolieren. Figure 6.A A parallel arrangement of micro-bridges, each including stacking sequences natural Jo sephson contacts made of an epitaxial "a-axis." - or "a- inclined axes" layer by chemical or ion etching of the trenches, which electrically isolate the micro bridges from one another.

Fig. 6.B Einen Äquivalentschaltkreis für das Bauelement aus Fig. 6.A Parallelschaltung von zwei linearen Stapelfolgen von Josephson-Kontakten. Fig. 6.B An equivalent circuit for the component of Fig. 6.A Parallel connection of two linear stacking sequences of Josephson contacts.

Fig. 7.A Eine Parallel-Schaltung von drei identischen Gruppen (cluster) mit jeweils 10 Mi­ krobrückeit Fig. 7.A A parallel connection of three identical groups (clusters), each with 10 Mi krobrückeit

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

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

Fig. 9 Einen grundsätzlicher Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelements, das in einer dün­ nen supraleitenden Epitaxieschicht eine zweidimensionale laterale Anordnung parallel geschal­ teter Mikrobrücken (Stege) (a) enthält, die durch bis auf das Substrat reichende Gräben (b) voneinander getrennt sind und damit den Stromfluß durch die Mikrobrücken bzw. Gruppen von Mikrobrücken lenken. Jede Mikrobrücke enthält eine Stapelfolge von Josephson- Kontakten, deren Anordnung in Fig. 2 und Fig. 3 erklärt wird. Die elektrischen Anschlüsse (c) und (d) erlauben eine Verbindung zu einer äußeren Steuerungselektronik (e). Fig. 9 shows a basic structure of the device according to the invention, which contains in a thin superconducting epitaxial layer a two-dimensional lateral arrangement of parallel-connected micro bridges (webs) (a) which are separated from one another by trenches (b) extending to the substrate and thus the Direct current flow through the micro bridges or groups of micro bridges. Each microbridge includes a stacking sequence of Josephson junctions, the arrangement in Fig. 2 and will be explained FIG. 3. The electrical connections (c) and (d) allow a connection to external control electronics (e).

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

1. Mikrobrücken in "a-Achsen-orientierten" und "geneigten a-Achsen orientierten" Dünn­ schichten1. Micro bridges in "a-axis oriented" and "inclined a-axis oriented" thin layers

Zur Erklärung muß anhand Fig. 1 bemerkt werden, daß die kristallografische Einheitszelle aller bekannten Cuprat-Supraleiter ein verlängertes Parallelepiped mit den Seitenlängen a≈b≈3.8Å und c<a,b darstellt. Zum Beispiel ist c≈6.5 Å in La1.85Sr0.15CuO₄, c≈11.7 Å in YBa₂Cu₃O₇, c≈15.4 Å in Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, etc. [Genauer gesagt ist die c-Achsen-Periodizität in La1.85Sr0.15CuO₄ und Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ doppelt so groß wegen des Vorhandenseins einer Glei­ tebene, obwohl dieser Sachverhalt für die vorliegende Diskussion wenig Bedeutung hat, eben­ so wie diejenige einer leichten orthorhombischen Verzerrung mit a ≠ b in YBa₂Cu₃O₇].For explanation, it must be noted with reference to FIG. 1 that the crystallographic unit cell of all known cuprate superconductors represents an extended parallelepiped with the side lengths a≈b≈3.8Å and c <a, b. For example, c≈6.5 Å in La 1.85 Sr 0.15 CuO₄, c≈11.7 Å in YBa₂Cu₃O₇, c≈15.4 Å in Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, etc. [More specifically, the c-axis periodicity in La 1.85 Sr 0.15 CuO₄ and Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ is twice as much large because of the presence of a sliding plane, although this fact is of little importance for the present discussion, just like that of a slight orthorhombic distortion with a ≠ b in YBa₂Cu₃O₇].

Alle Hochtemperatur-Supraleiter, die bisher betrachtet wurden, waren mit der c-Achse senk­ recht 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. (100)-geschnittenem SrTiO₃, LaAlO₃, etc. aufgewachsen werden. In diesem Falle verlau­ fen alle CuO₂-Ebenen parallel zur großen Fläche des Substrates.All of the high-temperature superconductors that have been considered so far were down with the c-axis have been grown right to the substrate (they are commonly referred to as "c-axes  oriented HTS layers "). This is the most common epitaxial relationship usually sets when high temperature superconductors on lattice matched substrates, such as e.g. B. (100) cut SrTiO₃, LaAlO₃, etc. are grown. In this case reasonable fen all CuO₂ levels parallel to the large area of the substrate.

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 völ­ lig gleichbedeutend die b-Achse) senkrecht zur großen Fläche des Substrates angeordnet, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Solche Hochtemperatur-Supraleiter-Dünnschichten werden zur Abkür­ zung als "a-Achsen-orientierte HTS-Schichten" bezeichnet.However, if specially cut substrates are used, it is possible to achieve other epitaxial arrangements in which the CuO₂ planes are perpendicular to the large area of the substrate. In such a case, the a-axis of the cuprate superconductor (or completely equivalent to the b-axis) is arranged perpendicular to the large area of the substrate, as shown in FIG. 2. Such high-temperature superconductor thin layers are referred to for short as "a-axis oriented HTS layers".

Eine Methode, diese Orientierung zu erreichen, besteht im folgenden (hier ist La1.85Sr0.15CuO₄ als Beispiel gewählt, wobei a ≈ 3.8 Å und c ≈ 6.5 Å 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 Å× 6.5 Å beträgt. Dann stellt sich die Möglichkeit ein, daß die Schicht mit ihrer a-Achse senkrecht zum Substrat aufwächst. Ein anderer Gesichtspunkt ist die Zahl "günstiger Kontakte" zwischen Kationen und Anionen von Schicht und Substrat, die auf energetische Beziehungen in der Grenzfläche Einfluß nehmen. Natürlich benötigt man für jeden unterschiedlichen Hochtempe­ ratur-Supraleiter unterschiedliche Substrate oder zumindest Substrat-Schnitte.
One way to achieve this orientation is as follows (here La 1.85 Sr 0.15 CuO₄ is chosen as an example, where a ≈ 3.8 Å and c ≈ 6.5 Å):
The substrate and its "cut" (ie the direction of polishing or the orientation of the surface plane of the substrate) are selected so that the periodicity of the surface plane is 3.8 Å × 6.5 Å. Then there is the possibility that the layer grows with its a-axis perpendicular to the substrate. Another aspect is the number of "favorable contacts" between cations and anions of the layer and the substrate, which influence the energetic relationships in the interface. Of course, different substrates or at least substrate sections are required for each different high-temperature superconductor.

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 La1.85Sr0.15CuO₄ und YBa₂Cu₃O₇ [Suzuki u. a. 1993, Badaye u. a. 1995].For the present purpose, it is sufficient to state that such substrates and substrate sections for several cuprate high-temperature superconductors have already been discovered, and complete epitaxial a-axis growth has actually been demonstrated, namely for La 1.85 Sr 0.15 CuO₄ and YBa₂Cu₃O₇ [Suzuki et al. 1993, Badaye et al. 1995].

Eine weitere Verkörperung der vorliegenden Erfindung wird durch eine mögliche andere epi­ taxiale Beziehung geliefert, die in Fig. 3 gezeigt ist. Hierfür werden alle CuO₂-Ebenen der Cu­ prat-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 Dis­ kussion nehmen wir an, daß der Winkel etwa 5° beträgt. Dies erfordert die Existenz von Stufen im Substrat, die 3.8 Å hoch sind und einen Abstand von etwa d = 3.8×tan 85° Å haben. Epita­ xiales Wachstum solcher geneigten a-Achsen-orientierten HTS-Schichten wurde auch schon ausgeführt [Tanimura u. a. 1993, Kataoka u. a. 1993].Another embodiment of the present invention is provided by a possible other epi taxial relationship shown in FIG. 3. For this all CuO₂ levels of the Cu prat films are grown at an angle to the substrate which is different from 0 ° and 90 °. Such an angle depends on the substrate cut and can typically be 1 ° to 10 °, although larger or smaller angles are also possible. For the purpose of the present discussion, we assume that the angle is approximately 5 °. This requires the existence of steps in the substrate that are 3.8 Å high and have a distance of approximately d = 3.8 × tan 85 ° Å. Epitaxial growth of such inclined a-axis oriented HTS layers has also been carried out [Tanimura et al. 1993, Kataoka et al. 1993].

Wie bereits ausgeführt, stellen Hochtemperatur-Cuprat-Supraleiter, wie z. B. Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀, HgBa₂CaCu₂O6.2, La1.85, Sr0.15CuO₄, 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 Mi­ krobrücken in einem supraleitenden Netzwerk zusammengeschaltet werden, wie im weiteren Text beschrieben.As already stated, high-temperature cuprate superconductors, such as e.g. B. Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀, HgBa₂CaCu₂O 6.2 , La 1.85 , Sr 0.15 CuO₄, etc. natural superconducting supergit from SIS. . . Or SINIS type is. If one uses one of said orientations of the thin film, then a simple micro-bridges can be produced in Fig. 4.A and Fig. 5 type shown, and thus that is, a stacking order of Josephson junctions. Such stacking sequences in micro bridges represent the basic structure for the component according to the invention. However, to set an optimal performance of the component, several such micro bridges must be interconnected in a superconducting network, as described in the text below.

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

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

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

A = Ic/jc = 10-3A/10⁴A/m² = 10-7cm² = 10 µm².A = I c / j c = 10 -3 A / 10⁴A / m² = 10 -7 cm² = 10 µm².

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

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

Die Ausgangsleistung einer solchen einfachen Stapelfolge ist jedoch recht bescheiden:However, the output power of such a simple stacking sequence is quite modest:

PMAX out =1/8NIc²R=(1/8)×30×10⁶×10A²Ω = 5×10-4mW.P MAX out = 1 / 8Ni ²R c = (1/8) × 30 × 10⁶ × 10A²Ω = 5 × 10 -4 mW.

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

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

Der Gesamtstrom wird 1 = MIc, so daß die GesamtleistungThe total current becomes 1 = MI c , so the total power

PTOT out =(1/8)×10-6×300×M²A²Ω≈0.4×M² mW entsteht.P TOT out = (1/8) × 10 -6 × 300 × M²A²Ω≈0.4 × M² mW arises.

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

Namentlich für eine gruppierte Anordnung von Josephson-Kontakten kann Phasensynchroni­ sation nur über eine Entfernung von näherungsweise λ/4 erreicht werden, wobei λ die Wellen­ länge der emittierten elektromagnetischen Strahlung ist. Wäre die gewünschte abgestrahlte Frequenz ν = 3 THz, dann beträgt λ = 100 µm; für ν= 1 THz, erhält man λ = 300 µm.In particular for a grouped arrangement of Josephson contacts, phase synchronism can be used tion can only be achieved over a distance of approximately λ / 4, where λ is the waves length of the emitted electromagnetic radiation. Would be the desired one emitted Frequency ν = 3 THz, then λ = 100 µm; for ν = 1 THz, one obtains λ = 300 µm.

Zur Optimierung von Bauelementeparametern (z. B., um Impedanzanpassung an das Vakuum und eine Reduzierung der inneren Reflexion von elektromagnetischer Strahlung an der Kri­ stall/Vakuum-Grenzfläche zu erreichen) ist es wünschenswert, Mikrobrücken in jeder gewoll­ ten Art elektrisch zu kombinieren. Dabei sollten allerdings die elektrischen Verbindungen aus Supraleitern bestehen und nicht zur Herausbildung von "weak-links" (schwachen Kopplun­ gen) führen, die dann als Josephson-Kontakte in Reihenschaltung mit der Stapelfolge von Jo­ sephson-Kontakten in der Mesa-Struktur wirken. Mit anderen Worten gesagt, es sind Hochtemperatur-Supraleiter-Elektroden von der gleichen Art supraleitenden Werkstoffes er­ forderlich.To optimize component parameters (e.g. to match impedance to the vacuum and a reduction in the internal reflection of electromagnetic radiation at the kri  stall / vacuum interface), it is desirable to have micro bridges in every will ten way to combine electrically. However, the electrical connections should be off Superconductors exist and do not lead to the formation of "weak links" gen), which then act as Josephson contacts in series with the stacking sequence of Jo sephson contacts work in the mesa structure. In other words, they are High-temperature superconductor electrodes of the same type of superconducting material conducive.

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 enschaltung einfacher Mikrobrücken oder von Gruppen (cluster) von Mikrobrücken erreicht wird, die bereits als Parallelschaltung vorliegen. Des weiteren werden realistische Abschätzun­ gen zur maximal möglichen Zahl phasenstarrer Josephson-Kontakte in solchen Stapelfolgen und Netzwerken angegeben.Both series and parallel connection of mesa structures is of practical relevance Cases required. The following section explains a method with which the Seri Switching of simple micro bridges or of groups (clusters) of micro bridges achieved that are already in parallel. Furthermore, realistic estimates to the maximum possible number of phase-locked Josephson contacts in such stacking sequences and networks.

3. Beispiel3rd example

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

Die Situation verbessert sich für geneigte a-Achsen orientierte HTS-Schichten (Fig. 3, Fig. 5), wo der Neigungswinkel relativ klein (etwa 5°) ist. Hier bekommt man für N = 15 und c = 15 Å eine Gesamtlänge L der Mikrobrücke von d/tanθ, wobei d die Schichtdicke ist. Für d = 1000 Å und θ = 5° erhält man also L ≈ 10,000 Å = 1 µm, was einem vernünftigen Wert für gegenwärtig übliche Lithographie-Verfahren darstellt. Und diese Länge kann mit wachsender Schichtdicken weiter vergrößert werden. The situation improves for inclined a-axis oriented HTS layers ( FIG. 3, FIG. 5), where the angle of inclination is relatively small (approximately 5 °). Here one gets a total length L of the microbridge of d / tanθ for N = 15 and c = 15 Å, where d is the layer thickness. For d = 1000 Å and θ = 5 °, L ≈ 10,000 Å = 1 µm is obtained, which is a reasonable value for currently conventional lithography processes. And this length can be increased further with increasing layer thicknesses.

Wir haben jedoch auch die erforderlichen seitlichen (lateralen) Dimensionen zu untersuchen. Beschränkungen kommen hier von der Stromdichte jc. Eine typische Stromdichte für c-Achsen orientierte Schichten liegt bei jc = 10⁴ A/cm². Mit einem erwünschten kritischen Strom von Ic = 1 mA erhält man die schon genannte Kontaktfläche A = Ic/jc = 10-3/10⁴ cm² = 10 µm². Es ist je­ doch zu beachten, daß die effektive Breite jetzt gleich der Schichtdicke dividiert durch den Tangens des Neigungswinkels ist, d. h. d/tanθ. Mit d = 1,000 Å und θ = 5° erhält man d/tanθ ≈ 1 µm. Dies bedeutet, daß die Breite der Mikrobrücken 1 µm betragen soll, was sicherlich zu er­ reichen ist.However, we also have to examine the required lateral dimensions. Restrictions come from the current density j c . A typical current density for c-axis oriented layers is j c = 10⁴ A / cm². With a desired critical current of I c = 1 mA, the aforementioned contact area A = I c / j c = 10 -3 / 10⁴ cm² = 10 µm² is obtained. However, it should be noted that the effective width is now equal to the layer thickness divided by the tangent of the angle of inclination, ie d / tanθ. With d = 1,000 Å and θ = 5 °, d / tanθ ≈ 1 µm is obtained. This means that the width of the microbridges should be 1 µm, which is certainly sufficient.

Allerdings wird eine solche Mikrobrücke, die eine Stapelfolge von Josephson-Kontakten ent­ hält, nur eine relativ kleine Leistung emittierter Strahlung erzeugen, nämlich Pout=(1/8)Ic²RTOT =(1/8)(10-3)²300 W ≈ 0.4 mW.However, such a microbridge, which contains a stacking sequence of Josephson contacts, will only produce a relatively small power of emitted radiation, namely P out = (1/8) I c ²R TOT = (1/8) (10 -3 ) ²300 W ≈ 0.4 mW.

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

Dies liefert den Ansatzpunkt, um ein sehr einfaches Bauelement zu schaffen, das in Fig. 8 ge­ zeigt ist und aus einer parallelen Anordnung von M identischen Mikrobrücken besteht. Diese werden dadurch gebildet, daß ganz einfach eine Folge äquidistanter Gräben durch chemisches oder Ionen-Ätzen bis herab an das Substrat erzeugt wird.This provides the starting point to create a very simple component, which is shown in Fig. 8 ge and consists of a parallel arrangement of M identical micro bridges. These are formed by simply creating a series of equidistant trenches down to the substrate by chemical or ion etching.

Für N = 15 M erhält man um das M-fache verlängerte Mikrobrücken. Ein reiner a-Achsen­ orientierter HTS-Film führt auf eine Mikrobrückenlänge von 15×300 Å = 4,500 Å oder 0.45 µm, was noch immer ein sehr kleiner Wert und technologisch schwierig herstellbar ist. Hingegen wird die Länge der Mikrobrücken in geneigten a-Achsen-orientierten HTS-Schichten für d = 1,000 Å, N = 300 und θ = 5°0 etwa M µm betragen.For N = 15 M one obtains micro-bridges which are elongated by M times. A pure a-axis oriented HTS film leads to a microbridge length of 15 × 300 Å = 4,500 Å or 0.45 µm, which is still a very small value and technologically difficult to manufacture. On the other hand the length of the microbridges in inclined a-axis oriented HTS layers for d = 1,000 Å, N = 300 and θ = 5 ° 0 are approximately M µm.

Oben hatten wir bereits geschlußfolgert, daß für jc = 10⁴A/cm² und Ic = 1 mA die Kontaktflä­ che A = 10 µm² und die Mikrobrücken-Breite etwa 10 µm (unsere Standardwahl d = 1,000 Å und θ = 5°) beträgt. Damit ist M stark eingeschränkt, da die gesamte Breite des Bauelements für eine Emissionsfrequenz von ν = 3 THz (λ = 100 µm) also 25 µm, und für ν = 1 THz (λ = 300 µm) 75 µm betragen kann. Folglich erhält man für M = 3-7, was einer recht beträchtlichen Ausgangsleistung von Pout = 1-20 mW entspräche.We had already concluded above that for j c = 10⁴A / cm² and I c = 1 mA the contact area A = 10 µm² and the microbridge width was about 10 µm (our standard choice d = 1,000 Å and θ = 5 °). M is thus severely restricted, since the entire width of the component can be 25 µm for an emission frequency of ν = 3 THz (λ = 100 µm) and 75 µm for ν = 1 THz (λ = 300 µm). Consequently, for M = 3-7 one obtains, which would correspond to a quite considerable output power of P out = 1-20 mW.

Weitere Verbesserungen in der Emissionsleistung könnte man dadurch erhalten, daß man we­ niger anisotrope Hochtemperatur-Supraleiter mit einer höheren kritischen Stromdichte für die c-Achsen-Richtung wählt. Beispielsweise beträgt für YBa₂Cu₃O₇, 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 Mi­ krobrücken könnte bei 1 µm liegen mit sehr schmalen Gräben dazwischen. Das würde bei 3 THz auf Werte für M von etwa 25 und die doch erhebliche Ausgangsleistung von etwa P ≈ 240 mW führen.Further improvements in emission performance could be obtained by choosing less anisotropic high temperature superconductors with a higher critical current density for the c-axis direction. For example, for YBa₂Cu₃O₇, j c ≈ 10⁶A / cm² in the c-axis direction. In such a case, much smaller contact areas would have to be provided, say 0.1-1 µm², which results in much narrower trenches, a larger number of micro bridges and thus a higher emission power. A practical limit for the width of micro bridges could be 1 µm with very narrow trenches in between. At 3 THz this would lead to values for M of around 25 and the considerable output power of around P ≈ 240 mW.

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

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

Obwohl der bisherige Wert für die Ausgangsleistung sicher wegen einer Anzahl anderer be­ grenzender 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 Her­ stellung, die einen einzigen lithografischen Prozeßschnitt ohne jegliche besondere Ausrich­ tungsanforderung erfordert.Although the previous value for the output power may be due to a number of others limiting factors represents an overestimation, the potential that could be stuck in such a component. The simplicity of the manufacture is also remarkable position that a single lithographic process cut without any special alignment required.

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

Schließlich ist zu bemerken, daß die elektrische Verbindung zur externen Elektronik über dic­ ke (0.5-1 µm) und großflächige (1 min²) normalleitende Metall-Kontakte (Gold, Silber, etc.) erfolgt, die auf der supraleitenden Schicht abgeschieden wurden. Eine Aufheizung des Bauele­ ments durch resistives Verhalten dieser Kontakte wird dadurch beträchtlich minimiert. Anbon­ den externer Verbindungen ist einfach.Finally, it should be noted that the electrical connection to the external electronics via dic ke (0.5-1 µm) and large-area (1 min²) normally conductive metal contacts (gold, silver, etc.) takes place, which were deposited on the superconducting layer. A heating of the component Resistive behavior of these contacts is considerably minimized. Anbon the external connections is easy.

Die hier diskutierte Verkörperung des erfindungsgemäßen Bauelements verfügt über den zu­ sätzlichen 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 = 0.1 µm² auf. Dies entspricht auch genau einer Schichtdicke von 1.000 Å und der Mikrobrücken-Breite von 1 µm, so wie oben bereits beschrieben.The embodiment of the component according to the invention discussed here has the additional advantage that the Josephson contacts have a very small cross-sectional area and thus a very small electrical capacitance C. A pure a-axis-oriented YBa₂Cu₃O₇ film with a critical current in the c-direction of j c = 10⁶A / cm² has a cross-sectional area of A = 10 -9 cm² = 0.1 µm² at an optimal current. This corresponds exactly to a layer thickness of 1,000 Å and the microbridge width of 1 µm, as already described above.

Aus den bekannten Materialeigenschaften für Cuprate und für isolierende Schichten kann man eine Kapazität von C ≈ 5×10-15 F in solch kleinen Kontakten erwarten. [Die spezifische Kapa­ zität von Nb/NbOx/Nb-Josephson-Kontakten beträgt 50 ff/µm²]. Dieser Wert kann 5 mal ge­ ringer gemacht werden, wenn anstelle der Schichtdicke von 1 µm nur 200 Å zum Einsatz kä­ men. Ein Nachteil würde dann die Verringerung der maximalen kritischen Stromdichte und ei­ ne Reduktion der abgestrahlten Leistung sein.A capacitance of C ≈ 5 × 10 -15 F in such small contacts can be expected from the known material properties for cuprates and for insulating layers. [The specific capacitance of Nb / NbO x / Nb-Josephson contacts is 50 ff / µm²]. This value can be made 5 times lower if only 200 Å were used instead of the layer thickness of 1 µm. A disadvantage would then be the reduction in the maximum critical current density and a reduction in the radiated power.

Auf der anderen Seite weisen solche Kontakte den Vorteil einer kritischen Dämpfung auf. Der McCumber Parameter ist β = 2π IcR²C/Φ₀ 1 wobei Φ₀ = h/2e = 2×10-15Vs das Fluß-Quant, h das Planck′sche Wirkungsquantum und e die Elektronenladung ist. Es ist bekannt, daß β klein sein soll ( 1), wenn eine optimale abgestrahlte Leistung und Durchstimmbarkeit der Fre­ quenz gefordert ist.On the other hand, such contacts have the advantage of critical damping. The McCumber parameter is β = 2π I c R²C / Φ₀ 1 where Φ₀ = h / 2e = 2 × 10 -15 Vs is the flux quantum, h is the Planck quantum of action and e is the electron charge. It is known that β should be small (1) when optimum radiated power and tunability of the frequency is required.

Die obige Betrachtung ist auf den Fall einer einzelnen Gruppe (cluster) von Josephson- Kontakten beschränkt. Tatsächlich ist es aber möglich, die maximal abgestrahlte Leistung wei­ ter 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 = 300 mm für ν = 1 THz) anordnen.The above consideration is in the case of a single group (cluster) by Josephson- Limited contacts. In fact, it is possible to know the maximum radiated power ter by choosing a distributed arrangement of such groups. You can group  pen at an equidistant distance at distances of λ between them (say λ = 300 mm for arrange ν = 1 THz).

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

Phasensynchronisation kann in solchen Strukturen über ziemlich lange Strecken erreicht wer­ den, wodurch die abgestrahlte Leistung beträchtlich werden kann. Der Nachteil solcher Lei­ tungen ist aber offenbar, daß die Betriebsfrequenz wegen der Gruppenabstände λ ziemlich festgelegt ist. Höhere Leistung läßt sich nur um den Preis einer verringerten Durchstimmbar­ keit erzielen.In such structures, phase synchronization can be achieved over fairly long distances the, whereby the radiated power can be considerable. The disadvantage of such lei However, it is evident that the operating frequency is quite high due to the group spacing λ is set. Higher performance can only be tuned at the price of a reduced tuning achieve speed.

Weitere Aspekte zur Optimierung beinhalten die Integration einer Antenne, wobei bequemer­ weise die existierende supraleitende Schicht dafür herangezogen werden kann.Other aspects of optimization include the integration of an antenna, being more convenient as the existing superconducting layer can be used for this.

4. Mikrowellen-Strahlungsquelle4. Microwave radiation source

Nachdem man eine Dünnschichtstruktur mit einer Anordnung von Mikrobrücken (im allgemei­ nen 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.After a thin-film structure with an arrangement of micro bridges (in general in parallel and series connection) and with other standard components of the Microwave technology (antenna, propagation line) connected, you can connect this to a usual control electronics with adjustable current source (up to 100 mA), control devices, Connect displays for frequency and power, etc. This then represents a complete source for narrowband electromagnetic radiation that is in a wide frequency range and can be tuned up to high frequencies of 5-10 THz.

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

5. Anwendungsbereiche5. Areas of application

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

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 Millimeterwellenbe­ reich beschränkt.Some lasers and reverse wave tubes (carcinotrons) work in the submillimeter wave Area, but they are voluminous radiation sources with high power consumption. Solid  per oscillators, such as B. GUNN or IMPATT diodes are on the millimeter waves richly limited.

Josephson-Kontakte, die an den Außenwiderstand reflexionsfrei angepaßt und zu einem Netz­ werk zusammengefaßt sind, können über eine Spannung gesteuert werden und einen breiten Frequenzbereich bis in das Terahertz-Gebiet hinein überdecken.Josephson contacts, which are adapted to the external resistance without reflection and to form a network are summarized, can be controlled by a voltage and a wide Cover the frequency range into the terahertz region.

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 Fre­ quenzbereich nutzen nichtlineare elektrische Widerstände, wie z. B. Schottky-Dioden als klassi­ sche 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 Quan­ tendetektoren.Quantum detection of electromagnetic radiation - a widely used concept in visible and infrared spectral range - was previously in the microwave and millimeter wave Area only possible in the narrow range of the spectrum, which is about the resonance frequency grouped by MASER amplifiers. The standard methods of proof in this Fre quenz range use nonlinear electrical resistors, such as. B. Schottky diodes as classic rectifiers and superimposed receivers. Their working principle is based on the Conversion of received power between different frequency ranges, instead the conversion of photons into electrical charge carriers, the functional principle of Quan detectors.

Die abrupte Nichtlinearität in der I-U-Kennlinie von SIS-Tunnelbarrieren für Einteilchentun­ neln 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 Überlagerungs­ empfängers (Heterodyns) besteht darin, ein schwaches Nutzsignal der Frequenz νs mit der Frequenz eines Lokaloszillators νLo zu mischen, wobei eine Zwischenfrequenz νif = |νsLo| ent­ steht und elektronisch weiterverarbeitet wird. Ein Photonenstrom mit einer Eintreffrate von ei­ nem Photon pro Nanosekunde ist ein typischer Wert der Nachweisempfindlichkeit eines sol­ chen Empfängers. Solche Lichtleistungen sind typisch für die Radioastronomie, die im Milli­ meter- und Submillimeterwellen-Gebiet interstellare Materie zur Erklärung der Struktur des Universums untersucht. Zwischen 100 und 1000 µm Wellenlänge treten zahlreiche Linien mo­ lekularer 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. The abrupt non-linearity in the IU characteristic of SIS tunnel barriers for single-particle tunnels represents a useful property for resistive mixing. Superimposition receivers with Josephson contacts as such mixing stages have a sensitivity that approaches the quantum limit at frequencies up to several GHz. The function of a heterodyne receiver is to mix a weak useful signal of frequency νs with the frequency of a local oscillator ν Lo , with an intermediate frequency ν if = | ν sLo | is created and processed electronically. A photon current with an arrival rate of one photon per nanosecond is a typical value of the detection sensitivity of such a receiver. Such light outputs are typical of radio astronomy, which examines interstellar matter in the millimeter and submillimeter wave range to explain the structure of the universe. Between 100 and 1000 µm wavelength, numerous lines of molecular rotation and vibration spectra appear, which can in principle be used to elucidate numerous physical properties in the universe. Research into the 115 GHz rotational vibration of interstellar carbon monoxide (CO) with a receiver for λ = 2.6 mm also indicates the performance of such microwave spectrometers in other practical applications.

Spektroskopie in seiner allgemeinen Bedeutung impliziert die Untersuchung von Absorption und Emission elektromagnetischer Strahlung von Stoffen, die von einer externen Quelle ange­ regt werden oder selbst emittieren. Das Tunneltron-Bauelement weist die besondere Eigen­ schaft auf, daß es als Anregungsquelle des zu spektroskopierenden Mediums und als Strah­ lungsempfänger der aus dem Medium heraustretenden Strahlung eingesetzt werden kann. Um ein Beispiel zu nennen: Das Tunneltron ermöglicht die Untersuchung organischer und anorga­ nischer Verbindungen in Dämpfen, Flüssigkeiten und Festkörpern bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung und geometrischen und energetischen Struktur sowie auch von Wechsel­ wirkungsprozessen; All dies ist möglich in Funktion verschiedener äußerer Parameter und im zeitaufgelösten Regime. Es gibt zahlreiche Fälle, wo spektroskopische Messungen von Interes­ se 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 spezifi­ sche Substanzen (z. B. Wassergehalt oder Verunreinigungen in festen Stoffen, Fettschichtdic­ ken auf Fleischunterlagen, etc.).Spectroscopy in its general meaning implies the study of absorption and emission of electromagnetic radiation from substances from an external source be excited or emit themselves. The Tunneltron component has a special characteristic shaft on that it is used as a source of excitation for the medium to be spectroscopic and as a beam tion receiver of the radiation emerging from the medium can be used. Around To give an example: The tunnel tron enables the investigation of organic and anorga compounds in vapors, liquids and solids with regard to their chemical Composition and geometric and energetic structure as well as change effects processes; All of this is possible in function of various external parameters and in time-resolved regime. There are numerous cases where spectroscopic measurements are of interest se are, e.g. B. in the detection of hidden substances of organic molecules and chemical Compounds (biological substances, drugs and plastic substances,...) After a suitable Excitation in the submillimeter wave area, or devices for quality control for specific chemical substances (e.g. water content or contamination in solid substances, fat layer dic on meat, etc.).

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

Die Möglichkeit der Frequenzdurchstimmung des kohärenten Tunneltrons, sowie auch die Möglichkeit der Ausbreitung durch Medien, die für das menschliche Auge undurchsichtig, für die Submillimeter-Strahlung des Tunneltrons jedoch transparent sind, eröffnet zahlreiche weite­ re Anwendungen.The possibility of frequency tuning of the coherent tunnel tron, as well as the Possibility of spread through media that is opaque to the human eye the submillimeter radiation of the tunnel tron is transparent, however, opens up a wide range re applications.

Kommunikation und Datenübermittlung ist ein weiteres Anwendungsgebiet des hier vorge­ schlagenen Bauelements, wobei ein Frequenzband zugänglich wird, das weit oberhalb desjeni­ gen liegt, das bisher von der ITU (Intern. Telecom. Union) verwaltet wird. Das neue Fre­ quenzgebiet ermöglicht eine beträchtliche Erhöhung der Zahl nutzbarer Kanäle sowohl für Sa­ telliten- 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 Sprach­ kommunikation an, würde man 2 Milliarden Sprachkanäle erzeugen, die auf einen solchen Trä­ ger transportiert werden könnten.Communication and data transmission is another area of application of the here struck component, whereby a frequency band is accessible, which far above that gen, which is currently managed by the ITU (Intern. Telecom. Union). The new Fre quenzgebiet enables a considerable increase in the number of usable channels for both Sa tellite as well as earthbound communication. [Looking at a channel width of 20 MHz, the frequency range up to 5 THz provides about 250,000 channels. This can be compared  with for example 40 channels for satellite communication in the frequency band of 11.7-12.5 GHz, used by the ITU for Region 1, Africa, Europe and the former Soviet Union together, was made available.] Take a 4 kHz channel width for speech communication, you would generate 2 billion voice channels on such a carrier could be transported.

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.Transmission to a high quality standard requires digital systems with pulse modulation (PCM - pulse code modulation) because frequency modulation far exceeds the noise power Measure of 3 pW / km (about 52 dB) would drive that by the CCIR as the upper noise limit was recommended.

Digitale Systeme lassen eine Regeneration der Signale in Zwischenstationen zu, wodurch die Anhäufung von Fehlern vermieden wird.Digital systems allow signals to be regenerated in intermediate stations, which means that Accumulation of errors is avoided.

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 Absorptionstiefe der menschlichen Haut für Submillimeter-Strahlung geschaffen wird.It is itself grateful that a completely new wireless terrestrial microwave communication ons network, a broadband wireless link to the Internet and a broadband link to Satellite communication with all the advantages of the high number of telephony channels mentioned and the added benefit of reduced radiation exposure due to the reduced Absorption depth of human skin for submillimeter radiation is created.

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, an­ stelle der sieben Kanäle, die gegenwärtig mit multispektralen Instrumenten zum Einsatz kom­ men.Imaging multifrequency microwave radiometer (MIMR) for the exploration of near-earth Territory from satellites or other flying objects already has a high potential for use. Future remote sensing satellites will carry hyperspectral equipment, which are suitable for imaging exploration in a large number of frequency channels place of the seven channels that are currently used with multispectral instruments men.

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

Ähnliches trifft auf den straßengebundenen Verkehr und selbst für Roboter-Anwendungen mit widrigen Umgebungsbedingungen zu. Das Grunderfordernis ist hierbei immer ein leistungsfä­ higer, durchstimmbarer, möglichst monochromatischer und kohärenter Submillimeterwellen- Emitter (und entsprechender Detektor), so wie das mit dem Bauelement der vorliegenden Er­ findung zur Verfügung gestellt wird. The same applies to road transport and even for robot applications adverse environmental conditions. The basic requirement is always a performance powerful, tunable, possibly monochromatic and coherent submillimeter wave Emitter (and corresponding detector), such as that with the component of the present Er is made available.  

Als "on-chip"-integriertes bzw. separates Emitter- und Detektor-Bauelement ist es für Radar­ messungen im allgemeinsten Sinn geeignet, d. h., für Ortungs-, Navigations- und Früherken­ nungssysteme. Dem wachsenden Bedarf von kompakten Radar-Baugruppen niedriger Leistung für zivile und militärische Nutzung kommt das erfindungsgemäße Bauelement entgegen. Alarmgebende oder auch Kollisionswarn-Systeme können verbessert werden.As an "on-chip" integrated or separate emitter and detector component, it is for radar suitable measurements in the most general sense, d. that is, for location, navigation and early libraries systems. The growing need for compact, low-power radar assemblies the component according to the invention is suitable for civil and military use. Alarming or collision warning systems can be improved.

Das Tunneltron kann ein aktiver Sensor für SAR (synthetic aperture radar)-Anwendung sein. Ein SAR-System sendet Mikrowellenstrahlung auf das Objekt (die Erde, wenn Forschungssa­ telliten der Ausgangspunkt sind), und empfängt die zurückkommende Strahlung. Die Feinab­ stimmung des Emitters läßt eine Positionierung der Frequenz innerhalb von Absorptionsband- Minima der Atmosphäre zu. Die Möglichkeit, die Richtung des Wellenfeldes des Tunneltrons elektronisch zu verändern, erweist sich als weiterer Vorteil zur Abrasterung des Beobach­ tungsgebietes.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 sa tellites 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 Minima of the atmosphere too. The possibility of the direction of the wave field of the tunnel tron Changing electronically proves to be a further advantage for scanning the observer area.

Biologische und medizinische Anwendungen (Tomographie, bildgebende Thermographie usw.) sind in großer Zahl aus den Eigenschaften des erfindungsgemäßen Bauelements einfach zu schlußfolgern.Biological and medical applications (tomography, imaging thermography, etc.) are simply too large in number from the properties of the component according to the invention Conclude.

Claims (19)

1. Emitter- und/oder Detektorbauelement für Submillimeterwellen-Strahlung, bestehend aus ei­ nem Substrat, elektrischen Zuführungen (Leitungen) an die Elektroden, die sich zu beiden Sei­ ten des Bauelements auf einem Supraleiter befinden und mit einer äußeren Stromquelle ver­ bunden 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.1. Emitter and / or detector component for submillimeter-wave radiation, consisting of a substrate, electrical leads (lines) to the electrodes, which are located on both sides of the component on a superconductor and are connected to an external power source, thereby characterized in that the component is created in a thin, single-crystalline and a-axis-oriented layer of a high-temperature superconductor (HTS) by forming micro bridges (a) and insulating trenches (b) so that the micro bridges (a) on both sides of superconducting Contacts (c, d) of the high-temperature superconductor forming the layer go out and can be combined in any manner in series and / or parallel connection and can be controlled externally, individually or in groups, by appropriate routing of the trenches (b). 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.2. Component according to claim 1, characterized in that the HTS layer epitaxially with the c-axis has grown parallel to the substrate surface, and the a-axis at an angle of 1 ° to 89 ° relative to the normal direction on the substrate. 3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Anordnung (Array) von min­ destens zwei bis einigen hundert Mikrobrücken in Parallelschaltung, mit jeweils zwei bis eini­ gen hundert vertikal gestapelten Josephson-Kontakten pro Mikrobrücke, wobei alle Mi­ krobrücken über gemeinsame supraleitende elektrische Kontakte verfügen.3. Component according to claim 1 or 2, characterized by an arrangement (array) of min at least two to a few hundred micro bridges connected in parallel, each with two to one around a hundred vertically stacked Josephson contacts per microbridge, with all Mi krobrücken have common superconducting electrical contacts. 4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakte eine Spannungsmessung für Detektorbetrieb erlauben.4. The component according to claim 3, characterized in that the electrical contacts a Allow voltage measurement for detector operation. 5. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Parallel-Baugruppen, die durch eine geeignete Grabenführung zur Bildung eines Segmentes führen, in Reihe geschaltet sind.5. The component according to claim 3, characterized in that a plurality of parallel assemblies through a suitable trench guide to form a segment, connected in series are. 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.6. The component according to one or more of the preceding claims, characterized by a distributed arrangement of complete groups of microbridges along a microwave Stripline to achieve a higher radiated power. 7. Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verwendung für die Kommunikation und Datenübertragung.7. The component according to one or more of the preceding claims, characterized by a use for communication and data transmission. 8. Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in Radaranlagen 8. The component according to one or more of the preceding claims, characterized by use in radar systems   9. Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet für Anwendungen als Vielkanal-Emitter- und Detektor in satellitengestütztem SAR (Synthetic Aperture Radar).9. The component according to one or more of the preceding claims, characterized for Applications as multi-channel emitter and detector in satellite-based SAR (Synthetic Aperture Radar). 10. Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in bildgebenden Mehrkanal-Mikrowellen-Radiometern.10. The component according to one or more of the preceding claims, characterized by use in imaging multi-channel microwave radiometers. 11. Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch jede Art spektroskopischer Anwendung.11. The component according to one or more of the preceding claims, characterized by any kind of spectroscopic application. 12. Bauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Lokaloszillator in Überlagerungsempfängern, beispielsweise für astrono­ mische Anwendungen eingesetzt.12. The component according to one or more of the preceding claims, characterized by use as a local oscillator in heterodyne receivers, for example for astrono mixed applications used. 13. Verfahren zur Herstellung eines Emitter und/oder Detektorbauelements für Submillimeter­ wellen-Strahlung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)-Schicht durch Molekularstrählepitaxie (MBE) und analoger Verfahren, wie z. B. der Atomlagenepitaxie (ALE), der Feinfokus- Ionenstrahlepitaxie (FIBE) erzeugt wird.13. Method for producing an emitter and / or detector component for submillimeters Wave radiation according to one or more of the preceding claims, characterized records that the high temperature superconductor (HTS) layer by molecular beam epitaxy (MBE) and analog processes, such as. B. atomic layer epitaxy (ALE), fine focus Ion beam epitaxy (FIBE) is generated. 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.14. The method according to claim 13, characterized in that the molecular beam epitaxy (MBE) device spectroscopic means for the observation of the interface and for control of growth of the HTS layer. 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 ei­ nem 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.
15. The method according to claim 13 and / or 14, characterized by the following process steps:
  • (a) Epitaxial growth of a HTS layer with a sloping a-axis, 100-500 nm thick, on a suitably cut wafer (substrate) with or without one or more buffer layers.
  • (b) Lithography for making the trenches.
  • (c) Ion etching down to the substrate surface.
  • (d) removal of the photoresist.
  • (e) attaching metal contacts to the HTS electrodes.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die HTS-Schicht durch chemische Gasphasen-Abscheidung (CVD) und analoger Verfahren hergestellt wird.16. The method according to one or more of the preceding claims, characterized ge indicates that the HTS layer by chemical vapor deposition (CVD) and analog process is produced. 17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, 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.17. The method according to one or more of the preceding claims, characterized net that the HTS layer by laser pulse deposition (PLD) and analog methods ago  is provided, including the case that the PLD device via spectroscopic means for Interface monitoring and control of the growth process is equipped. 18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die HTS-Schicht durch Sputterabscheidung (SD) und analoger Verfahren hergestellt wird, eingeschlossen der Fall daß das SD-Gerät über spektroskopische Mittel zur Grenzflä­ chenbeobachtung und Steuerung des Wachstumsvorganges ausgestattet ist.18. The method according to one or more of the preceding claims, characterized net that the HTS layer produced by sputter deposition (SD) and analog processes is included, the case that the SD device via spectroscopic means to the interface monitoring and control of the growth process. 19. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente-Struktur unter Verwendung von Mikromasken erzeugt wird.19. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that that the device structure is created using micromasks.
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