DE2113855A1

DE2113855A1 - Supraleitender Oszillator und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE2113855A1
Application number: DE19712113855
Authority: DE
Inventors: Thompson William Alexander
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-03-02
Filing date: 1971-03-23
Publication date: 1971-10-21
Also published as: JPS5517500B1; US3628184A; US3778893A; FR2081606B1; JPS461868A; FR2081606A1; GB1318819A

Description

22. März 1971 Dr.Schie/E

Docket YO 969 063x U.S. Serial No. 21640

Anmelderin: International Business Machines Corporation, Armonk, Hew York 10504, V. St. A.

Vertreter: Patentanwalt Dr.-Ing. Rudolf Schiering, 703 Böblingen/Württ., Westerwaldweg 4

Supraleitender Oszillator und Verfahren zur Herstellung desselben

Die Erfindung betrifft einen Kohärent-Oszillator im Millimeterbereich und im Infrarotbereich. Sie bezieht sich auf einen supraleitenden Oszillator und auf ein Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Oszillators. Die Erfindung betrifft insbesondere Oszillatoren, die in einem Innenhohlraum «Tosephson-Grenzschichten enthalten.

Elektromagnetische Strahlung, deren Frequenzen vom Infrarot bis zu Submillimeter reichen, ist im allgemeinen schwer erzeugbar. Bei den bekannten Anordnungen zur Erzeugung solcher elektromagnetischer Strahlen ergaben sich bisher folgende Probleme: Schwierigkeit der Abstimmung bei niedriger Leistung, Instabilität, niedrige Ausgangsleistung und Schwierigkeit der Fabrikation. Bekannte Oszillatoren enthalten Reflexklystron, Monochromatoren in Verbindung mit optischen Generatoren, Gunn-Effekt-Vorrichtungen und Josephson-Vorrichtungen in externen Hohlräumen.

Das Reflexklystron ist ein Oszillator, bei dem ein Elektronenstrahl in einem Hohlraum reflektierend enthalten ist.

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Beim Reflexklystron durchsetzt die von der Kathode ausgehende Elektronenströmung ein Gitterpaar, das zusammen mit einer torusförmigen Induktivität einen Resonanzkreis "bildet. Die durchtretende Strömung läuft auf einen Reflektor zu, der eine gegen die Kathode negative Gleichspannung führt, und wird zur Rückkehr zum Resonator gezwungen. Durch geeignete elektronenoptische Mittel ist dafür gesorgt, daß die rückgekehrten Elektronen nach ihrem Durchtritt durch das erste Gitter abgefangen werden und nicht vor der Kathode ein zweites Mal umkehren und wieder in das Hochfrequenzfeld eintreten.

Das bekannte Reflexklystron ist im allgemeinen teuer, hat nur einen begrenzten Abstimmbereich und braucht hohe Betriebsspannungen. Die kleinen Hohlräume, die man für die Hochfrequenzoperation braucht, sind maschinell sehr schwer herzustellen. Diese Vorrichtungen haben nur einen begrenzten !Frequenzbereich.

Der in Verbindung mit einem optischen Generator benutzte bekannte Monochromator ist im wesentlichen ein Filter, das eine besondere Ausgangsfrequenz des optischen Generators auswählt. Die Efachteile dieser Vorrichtung bestehen darin, daß die optische Quelle gewöhnlich keine kohärente Strahlung liefert und daß nur geringe Ausgangsleistungen erhalten werden können. Selbst wenn kohärente optische Quellen verwendet werden, sind die Frequenzen im allgemeinen zu hoch, so daß man vom Infrarot-Submillimeterbereich weit entfernt ist.

Beim Gunneffekt-Oszillator werden wandernde elektrische Feldbereiche in einem Halbleiterkörper durch eine externe Quelle hergestellt. Bei der Laufzeitschwingung nach Gunn bewegen sich unter konstanter angelegter Spannung - schmale Zonen hoher Feldstärken, sogenannte "Hoclifelddomänen" von der Kathode zur Anode. Bei Ankunft jeder Hochfelddomäne an der

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Anode tritt im Lastkreis ein Stromimpuls auf. Mit derartigen Vorrichtungen werden Mikrowellenstrahlen erzeugt, deren
Frequenz kleiner als etwa 50 Gigahertz ist, jedoch ist die
prozentuale Abstimmung sehr klein. Auch die Ausgangsleistung ist "beim Gunneffekt-Oszillator noch sehr begrenzt. Die Forschung ist um erhöhte Ausgangsleistungen bemüht, und erhöhte Abstimmungseigenschaften können wohl erwartet werden.

Ein anderer Generator dieses Frequenzbereiches ist die in
einem externen Hohlraum plazierte Josephson-Grenzschicht.
Solch eine Josephs on-Vorrichtung kann z. B. vom Streif enleitertyp sein, bei dem zwei Blechstreifen aus supraleitendem Material durch eine dielektrische tunnelnde Sperrschicht getrennt sind. Der durch die Josephson-Grenzschicht fließende Gleichstrom gibt einen Anstieg für eine Wechselstrom-

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Superstromfrequenz f = /h, wobei V die Spannung am Josephson-Übergang ist. Dieser Effekt wurde durch den englischen
Physiker B. D. Josephson entdeckt, vgl. BD. Josephson "Possible new effects in superconductive tunneling" in Physics
Letters", 1. JuIi 1962, Seite 251-253.

Diese Jo sephson-Wechs el ströme existieren im Millimeter- und im Submillimeterbereich und sind mit dem Zwei-Partikel-Tunneln verbunden. Die Wechselstromstrahlung wird dann in einen Hohlraum eingekoppelt, welcher diese mit einer Belastung verbindet.

Wenn die Josepnson-Grenzfläche (junction) zwei supraleitende Bleche enthält, die durch ein Dielektrikum getrennt sind,
dann ist die Vorrichtung durch die Kombination eines äußeren Hagnetfeldes und eines elektrischen Feldes abstimmbar· Das
Magnetfeld stimmt den Hohlraum ab, um die elektromagnetische Strahlung anzupassen, während das elektrische Feld den
Grenzflächen-Oszillator abstimmt.

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Dieses Magnetfeld ist Jedoch sehr klein, so daß die Anwesenheit magnetischer Streufelder in der Umgebung der Josephson-Vorrichtung dahingehend tendiert, daß die Effekte des abstimmenden Magnetfeldes isoliert werden, so daß dieser Oszillator schwer abzustimmen ist. Auch ist die charakteristische Impedanz der typischen Wellenführungsstruktur in der Größenordnung von 100 Ohm, während die charakteristische Impedanz von solch einer Josephson-Tunnel-Grenzflache etwa 10~^ Ohm ist. Demgemäß trägt die Wirkungslosigkeit der Ausgangsleistung stark zu dieser Impedanz-Fehlan- ^ passung bei.

Wenn die Josephson-Grenzflache ein Punktkontaktsystem ist, werden einige der vorstehend in Bezug auf die Streifenleitervorrichtung nach Josephson angeschnittenen Probleme beseitigt. Eine solche Annäherung enthält die Vorrichtung nach der amerikanischen Patentschrift J> $86 050« Hier ist ein Punktkontakt-Josephson-System in einem Niederimpedanzteil eines externen Hohlraumresonators angeordnet. Dieser bekannte Oszillator ist spannungsmäßig abstimmbar, er ist aber für Operationen bei hohen Frequenzen schwierig herzustellen. Diese bekannte Konfiguration ist für einen Betrieb bei etwa 50 Gigahertz sehr unpraktisch. Die bekannte Vor- k richtung neigt auch zu einem schmalen Frequenzbereich, über den abgestimmt werden kann, da die Konfiguration im wesentlichen zum Abstimmen unpraktisch ist. Ein anderer Nachteil besteht darin, daß die bekannte Vorrichtung nicht ohne weiteres mit anderen Festkörpervorrichtungen, die in Verbindung mit dem Generator zu verwenden sind, gekoppelt werden kann.

All die vorstehend aufgezählten, bei den bekannten Anordnungen und Vorrichtungen vorhandenen Nachteile führen mehr oder weniger zur Einschränkung der Ausgangsleistung, zu Begrenzungen in Bezug auf eine leichte Abstimmbarkeit, zu

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einer Komplexität der Struktur und zu einer Nichtverträglichkeit mit anderen Stromkreiselementen.

Danach "besteht die der Erfindung zugrunde liegende Hauptaufgabe in der Schaffung eines leistungsfähigeren Kohärentoszillators im Millimeter-Infrarot-Frequenzbereich.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Kohärentoszillators für eine elektromagnetische Strahlung isi Millimeter-Infrarot-Frequenzbereich, welcher in der Fabrikation preisgünstig ist₀

Hoch ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Oszillators für kohärente elektromagnetische Strahlung, der über einem Frequenzbereich von 0 bis 2.000 Gigahertz abstimmbar ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Kohärentoszillators elektromagnetischer Strahlung im Millimeter-Infrarotbereich, der in einer Struktur zu fabrizieren ist, die sich mit anderen Halbleitersystemen verträgt.

Noch ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Methode zur Fabrikation eines kohärenten Oszillators für elektromagnetische Strahlung im Miliimeter-Infrarotbereich, welche die konventionelle Festkörpertechnologie verwendet.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Methode zum Herstellen Kohärenter Infrarot-Millimeter-Oszillatoren, bei der die Festkörpertechnologie zur Herstellung des GesamtOszillators mit einem Minimum an Verfahrensstufen benutzt werden kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgaben wird erfindungsgemäß ein Generator für eine elektromagnetische Strahlung im Sub-

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millimeter-Infrarot-Erequenzbereich durch Anordnung einer Josephson-Grenzfläche (junction) in einem inneren Hohlraum geschaffen. Dies steht im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen, die externe Hohlräume vorsehen. Der verwendete Hohlraum bildet mit der Josephson-Grenzfläche ein Ganzes. Auf diese Weise werden die Hohlraumabmessungen viel kleiner als jene der vorherigen Vorrichtungen« Dies führt zu. erhöhten Ausgangsleistungen und hoher Frequenzoperation· Hinzu kommt, daß es möglich ist, einen nahezu kontinuierlichen Kipp über die itequenzen der Vorrichtung zu schaffen und zwar besser als bei Vorrichtungen, die nur auf direkte Frequenzen abstimmbar sind, die durch die Hohlraumgeometrie bestimmt sind.

Es sei bemerkt, daß der Ausdruck "Josephson-Grenzflache" oder "Josephson-junction" supraleitende schwache Glieder und tunnelnde Josephson-Übergänge einschließt. Unter dem Ausdruck "Josephsonstrom" ist ein Zweipratikel-Strompaar-Strom zu verstehen« Eine Vorrichtung mit quantenmechanisch tunnelnden Josephson-Bauelementen ist von der Anmelderin in der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 20 64 522.1 beschrieben.

Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß eine Josephson-Grenzschicht zwischen zwei Elektroden gebildet wird, welche die Joseph— son-Grenzfläche mit einer Quelle verbinden, damit ein Gleichstrom durch die Grenzfläche fließen kann. Die Elektroden definieren auch einen Hohlraumresonator für die elektromagnetische Strahlung, die vom Josephsonstrom erzeugt wird. Dieser Strom rührt von der der Josephson-Grenzfläche aufgeprägten Gleichspannung her.

Beim bekannten Josephson-Grenzflächen-Mikrowellen-Oszillator

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definieren die Elektroden zur Bildung eines Stroms zur Grenzfläche (junction) nicht den Hohlraumresonator. Bei der Erfindung ist der Hohlraum, dessen Weite durch die Elektrodenbreite und dessen Höhe gewöhnlich durch die Skin-Tiefe der elektromagnetischen Strahlung in den Elektroden bestimmt ist, sehr klein, so daß erhöhte Ausgangsleistungen und Frequenz bei dieser Vorrichtung verfügbar sind.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Josephson-Grenaflachen oder eine Reihe solcher Übergänge zwischen zwei Elektroden gebildet, um so entweder eine Kaskadenstruktur oder eine Phasenanordnung zu haben. Infolgedessen werden erhöhte Ausgangsleistungen erzielt, wenn die Strahlung von jeder Grenzfläche (junction) im selben Modus gekoppelt ist.

Aus der vorstehenden kurzen Beschreibung ist es bereits möglich, die Vorteile des Oszillators nach der Erfindung gegenüber den bekannten Oszillatoren zu überblicken. Während es z. B. bisher generell wünschenswert war,großflächige Josephson-Grenzflächen zu haben, liefern die bekannten Oszillatoren keine geeigneten Hohlräume zur Auskopplung der erzeugten Strahlung.

Bei der Erfindung können Großflächenübergänge verwendet werden, und die Hohlraumabmessungen sehr eng an jene Abmessungen angepaßt werden, welche ein Kopplungsmaximum schaffen würden. Infolgedessen liefert der Oszillator nach der. Erfindung eine höhere Ausgangsleistung über einem breiteren Frequenzbereich. Dieser Vorteil ist besonders wichtig für die Nachrichtenübertragung, Radar usw.

Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Oszillator leicht mit anderen Festkörperbauelementen jeder

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Größe gekoppelt werden kann. Dagegen haben die bekannten Oszillatoren große Hohlraumabmessungen, welche keine verlustlose Kopplung mit kleinen Festkörperbauelementen ermöglichen. Der Oszillator nach der Erfindung hat einen Festkörperhohlraum, dessen Abmessungen sehr klein sind. Der erfindungsgemäße Oszillator kann mit anderen Bauelementen auf dem gleichen Plättchen (wafer) fabriziert werden, und die erzeugte Strahlung läßt sich leicht mit anderen Bauteilen koppeln. Für logische Schaltkreise nur für Anwendungen bei Rechenanlagen ist dies ein sehr bedeuten- ^ der Vorteil.

Wenn eine Yerarmungszone, z. B. eine Schottky-Sperrschicht, im Hohlraum vorgesehen wird, dann ist es möglich, diskrete Ausgangsfrequenzen des Hohlraumes abzustimmen. Die Verarmungsschicht bestimmt jedoch die Hohlraumgrenze und die Spannungsanwendung, um die Breite der Verarmungsschicht zu variieren. Dies ändert die Hohlraumgeometrie· Es kommt zu einer Frequenzmodulation der Ausgangsstrahlung der Josephson-Grenzflache bei einer Frequenz, die durch die Spannung der Sperrschicht-Modulierungs-Quelle bestimmt ist.

Ein anderer Weg zur Abstimmung der Resonanzmoden des Hohlfc raumresonators besteht in der Benutzung von piezoelektrischem Material, das im Sinne einer Dickenvariation beanspruchbar ist ο

Sehr kleine Josephson-Oszillatoren lassen sich durch Funkenerosion zwischen den Elektroden herstellen. Wenn eine Funkenerosion in einer Umgebung von flüssigem Helium auftritt, wird zwischen den Elektroden eine Josephson-Grenzflache mit extrem kleinen Abmessungen gebildet. Diese Grenzfläche kann irgendwo längs der Elektrodenoberflächen lokalisiert sein, ihre Position wird den Resonanzmodus festlegen, welcher zur Erregung kommt. «

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Im Bedarfsfalle können viele Josephson-Grenzflächen zwischen den Elektroden durch Funkenerosion gebildet und verwendet werden. Diese Grenzflächen werden an Stellen gebildet, welche durch das Plazieren einer beweglichen Elektrode entlang der Oberfläche einer ersten festen Elektrode bestimmt sind. Nach der Schaffung der Josephson-Grenzflächen wird eine permanente zweite Elektrode in Eontakt mit der ersten Elektrode, zum Beispiel durch Verdampfung, gebracht·

Die Elektrodenmaterialien sind irgendwelche elektrische Leiter und zwar sowohl Metalle als auch Halbleiter. Die Josephson-Kontakte können aus irgendeinem Material hergestellt sein, das in seinem Phasendiagramm supraleitende !Teile aufweist. Wenn zum Beispiel die Elektroden aus Galliumarsenid sind, werden supraleitende Josephson-Grenzflächen durch Funkenerosion zwischen Galliumarsenid-Elektroden erzeugt. Die Josephson-Grenzflächen können natürlich aus Metallen oder Halbleitern hergestellt werden·

Ein Dielektrikum, das zuweilen zwischen Metallelektroden gebraucht wird, ist irgendein Dielektrikum das für niedere Temperaturen geeignet ist. Hier sind eingeschlossen Siliciumdioxid. Ein anderes geeignetes Dielektrikum ist die Verarmungssperrschicht zwischen Halbleitern.

Diese Vorrichtungen enthalten also Josephson-Grenzflächen, die in internen Hohlräumen lokalisiert sind. Diese Hohlräume sind in den Elektroden definiert, welche den Strom zu den Josephson-Grenzflächen führen. Wegen der Anwendungsmöglichkeit der Festkörpertechnologie ist es möglich, den Ausgang der Josephson-Grenzfläche direkt in einen Festkörperwellenführer zur Zuführung an andere Festkörperbauelemente zu koppeln·

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Zusammenfassend ergibt sich als Erfindung für einen supraleitenden Oszillator zur Erzeugung einer Millimeter- und Infrarotstrahlung und für ein Verfahren zur Fabrikation derartiger Oszillatoren folgendes! Eine Josephson-Grenzflache (Schwachglied oder tunnelnder Übergang) ist zwischen Elektroden lokalisiert, welche einen Gleichstrom zur • Grenzfläche liefern und außerdem einen Resonanzhohlraum für die elektromagnetische Strahlung aus der Grenzfläche bestimmen. Daher ist ein interner Hohlraum vorgesehen, wobei erhöhte Ausgangsleistungen über einen breiten Frequenzbereich möglich sind. Der Oszillator wird durch Funkenerosion zwischen Elektroden bei Temperaturen des flüssigen Heliums gebildet, womit sich eine sehr schmalze Grenzfläche und ein sehr kleiner Hohlraumresonator ergibt.

Die Erfindung sei nachstehend an Hand der schematischen Zeichnungen für bevorzugte, vorteilhafte, beispielsweise Ausführungsformen näher erläutert. Aus der weiteren Beschreibung ergeben sich weitere Aufgabenstellungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung bzw. einer Weiterbildung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Kohärentoszillators mit einem internen Resonanzhohlraum.

Fig. 2 zeigt einen vergrößert dargestellten Querschnitt des Resonanzhohlraums des Oszillators nach Fig. 1.

Fig. 5 zeigt in dreidimensionaler Darstellung einen Kohärentoszillator mit Josephson-Grenzfläche in einem inneren Hohlraum.

Fig. 4 zeigt im Diagramm die Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung für Kohärentoszillatoren, die nach der Erfindung hergestellt sind.

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Fig. 5 zeigt einen Querschnitt eines Kohärentoszillators mit den Metallelektroden und den isolierenden Schichten.

Fig· 6A, 6B, 6C und 6D (QuerSchnittsansicht von Fig. 6C) zeigen verschiedene Plazierungen der Josephson-Grenzfläche (Grenzflächen) im Hohlraum für die Schaffung verschiedener Betriebsmoden.

Fig· 7 zeigt die Funkenerosionstechnik, mit der eine Anzahl von Josephson-Grenzflachen gebildet werden.

Fig. 8 zeigt eine Schnittansicht eines Kohärent-Oszillators nach der Erfindung, dessen Ausgang durch den piezoelektrischen Effekt frequenzmoduliert werden kann,,

Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht eines Kohärentoszillators nach der Erfindung, dessen Ausgang durch Variation einer Verarmungsschichtweite frequenzmoduliert werden kann.

Fig. !veranschaulicht begrifflich einen Kohärentoszillator mit einem integralen Resonanzhohlraum. Das heißt, die Elektroden, welche Strom zu der strahlenerzeugenden Quelle führen, bestimmen auch den Resonanzhohlraum für diese Quelle,

Die Elektroden sind in Fig. 1 mit 10 und 12 bezeichnet. Sie haben vorspringende Halsteile 1OA und 12A der Breite L. Diese Elektroden haben metallische Kontakte 1OB und 12B. Dort sind sie mit einem Widerstand 14 und einer variablen Spannungsquelle V verbunden,

Zwischen den Elektroden 10 und 12 befindet sich die supraleitende Josephson-Grenzfläche 16, die in Fig. 1 durch zwei supraleitende Kugeln veranschaulicht ist. Obgleich in der Fig. 1 nur zwei Dimensionen gezeigt sind, ist die Fig. 1 so su verstellen, daß die Vorrichtung auch Tiefe besitzt,

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wie aus Fig. 3 zu. erkennen ist. Es ist auch klar, daß der Querschnitt der Elektroden einen Kreis oder ein Quadrat oder ein Rechteck usw. definieren kann. Diese Dinge sind aus dem Stande der Technik bekannt und demjenigen vertraut, der sich mit Mikrowellenoszillatoren beschäftigt hat.

Wenn auch die Elektroden 10 und 12 in der Zeichnung als getrennt dargestellt sind, so liegen sich doch in Wirklichkeit in dichtem Abstand zueinander. Dieser Abstand ist nicht kritisch, er könnte Mikronen oder weniger betragen. Wenn eine isolierende Verarmungssperrschicht verwendet wird, dann könnte der Abstand Null sein. Obgleich die Josephson-Grenzfläche 16 als mit zwei supraleitenden Kugeln in Kontakt dargestellt ist, kann es dort in Wirklichkeit eine Zone aus supraleitendem Material geben, die ein oder mehrere schwache Glieder oder tunnelnde Josephson-Grenzflächen dazwischen enthalten. Es ist nur notwendig, daß eine Grenzfläche in der Lage ist, den Josephstrom (Paarstrom) dort hindurchzuführen.

Wenn eine Spannung V angelegt wird, dann fließt durch die Josephson-Grenzfläche (junction) 16 ein Strom. Infolge des Wechselstrom-Josephson-Effektes werden Hochfrequenzströme gebildet. Diese Ströme koppeln zum Hohlraum 18, der durch die Elektroden 10 und 12 definiert wird. Die Gesamtbreite des Hohlraums ist durch L und die Höhe 2& gegeben, wobei A die Skintiefe der Eindringung der elektromagnetischen Strahlung in die Elektroden ist. Die tatsächlichen Abmessungen des Hohlraumes sind dem Konstrukteur überlassen, da sie nicht kritisch sind.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, wobei eine Josephson-Grenzfläche in einem externen Hohlraum plaziert ist, definieren die Elektroden 10 und 12 den Hohlraum 18, und die Struktur ist eine Festkörperstruktur. Dies wird noch augenscheinlicher aus der folgenden Erörterung hervorgehen·

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fig. 2 enthält eine vergrößerte Darstellung des Oszillators nach Fig. 1. Sie zeigt insbesondere den Hohlraum 18 für die durch den Josephson-Effekt erzeugten Hochfrequenzstrahlung. Die Trennung zwischen den Elektroden 10 und 12 ist hier durch die Linie 20 angedeutet. Die gestrichelten Linien 22 repräsentieren obere und untere Grenzen des Resonanzhohlraumes ·

Die Hohraumbreite ist in Fig. 2 mit L und die Höhe mit 2 J± "bezeichnet, wobei^ die Skin-Eindringtiefe der Hochfrequenzstrahlung in die Elektroden 10 und 12 ist. Die durch den Josephson-Effekt gebildete elektromagnetische Strahlung reflektiert hin und her zwischen den Wänden 24 und 26 des Hohlraumes 18 und zwar zufolge der Unterschiede zwischen den Dielektrizitätskonstanten des Elektrodenmaterials und der Dielektrizitätskonstanten des den Hohlraum umgebenden freien Zwischenraums. Die aus dem Hohlraum stammende Strahlung ist mit Eo bezeichnet.

In der Zeichnung ist der Josephson-Grenzübergang (junction) 16 schematisch mit zwei supraleitenden Kugeln 16Δ und 16B veranschaulicht, deren Durchmesser etwa r ist. Um einen guten Hohlraum zu schaffen, sollte die Distanz L beträchtlich größer als r sein (L/r \ 10). Macht man den supraleitenden Bereich (r_Q) sehr klein (1000 - 3000 Angstroem^ dann verkleinert man die Magnetfeldabhängigkeit und die QuasiPartikel-Absorption im supraleitendem Zustande.

Infolgedessen wird die Absorption der Hochfrequenzenergie im Hohlraum durch die supraleitenden Kontakte 16A und 16B verkleinert. Weil die Josephson-Grenzflache 16 bildenden supraleitenden Kontakte im allgemeinen nur einige wenige hundert Angstroem im Durchmesser haten,während der Abstand L gewöhnlich 4 bis 20 Tausendstel eines Zolls beträgt, ist die

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Grenzfläche nur ein kleiner Teil des Hohlraums, und es ergibt sich eine hohe Ausgangsleistung. Die gesamte Hochfrequenzleistung wird auch mit der Josephson-Grenzfläche (Grenzflächen) gekoppelt sein.

Obgleich die Josephson-Grenzfläche" 16 in der Zeichnung etwa im Zentrum des Hohlraums (cavity) liegend dargestellt ist, ist es klar, daß diese irgendwo längs der Strecke L plaziert sein kann. Die Grenzfläche kann insgesamt im Hohlraum oder an der Kante des Hohlraums liegen. Die Plazierung der Grenzfläche hängt von dem zu erregenden Modus ab. Dies ™ wird im Zusammenhang mit den Figuren 6A, 6B, 6C und 6D noch weiter erörtert werden.

Die Fig. 3 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines Kohärentoszillators mit Josephson-Grenzfläche 16$ die intern angeordnet ist. Der Festkörperhohlraum ist mit 18 bezeichnet. Der besseren Übersicht halber sind, wo es möglich ist, dieselben Bezugszeichen benutzt worden. Hier bildet eine kleine supraleitende Zone die Josephson-Grenzfläche. Diese Grenzfläche ist in den Elektroden 10 und 12 eingebettet. Die Trennung zwischen den Elektroden ist in Fig. 3 mit 20 bezeichnet. Die Elektroden 10 und 12 haben hier einen quadrafe tischen Querschnitt. Dieser Querschnitt kann quadratisch oder rechteckig oder kreisförmig etc. sein. Ferner erhält die Josephson-Grenzfläche über die Metallkontakte 1OB und 12B, die mit einer äußeren Stromquelle (nicht dargestellt) in der in Fig. 1 gezeigten Weise verbunden sind, Strom·

Auf jeder Seite der Grenzschicht 20, welche die lokalisierten trennenden Elektroden 10 und 12 trennt, sind Verarmungsschichten IOC und 12C vorgesehen. Diese könnten Schottky-Sperrschichten sein. Diese Sperrschichten sind gewöhnlich bei Halbleiterelektroden infolge ihres großflächigen Dichtezustandes vorhanden. Wenn der Halbleiter ein ionischer HaIb-

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leiter ist, dann wird zwischen den Elektroden in der in Fig. 5 gezeigten Weise eine weitere Isolation verwendet. Die Breite dieser Sperrschichten hängt von der angelegten Spannung ab. Die Linien 22 bezeichnen die Feld-Eindringtiefe der durch den Oszillator erzeugten Strahlung.

Die Verarmungsschichten IOC und 12C sollen sicherstellen, daß der gesamte Gleichstrom durch die Josephson-Grenzfläehe 16 fließt, anstatt um diese herum. Wenn ein Oxyd oder ein sonstiger Isolator um der Josephson-Grenzfläche vorhanden ist, dient dies demselben Zweck.

Da das Verhältnis r /L so klein ist, werden die Nachteile, die vorhanden sind, wenn supraleitende Bleche in der Josephson-Grenzfläche verwendet werden, wesentlich reduziert. Dies bedeutet, daß sich eine bessere Impedanzanpassung ergibt und daß keine Induktanzeffekte der supraleitenden Bleche vorhanden sein werden₀

Die Fig. 4 zeigt im Diagramm die Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung bei einem Oszillator nach den Figuren 1 bis 3· Die Frequenz der elek romagnetischen Strahlung ist eine Funktion des Resonanzhohlraumes. Sie kann durch Änderung der Spannung V variiert werden. Die Frequenz ist durch die folgende Beziehung gegeben:

cn/L . tl»V_n/e

In dieser Formel entspricht V der in die Grenzfläche gelegten Spannung. Die Größe Έ ist die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle im dielektrischen Material, das den Hohlraum bildet. Die Größe e ist die Elementar-ladung undTt. ist die Plancksche Konstante dividiert durch

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Die Abstände der Stufen im Strom/Spannungsdiagramm nach Fig. 4- sind durch die Hohlraumresonanzfrequenzen bestimmt. Die Abstände würden zum Beispiel gleich sein bei einem quadratischen Hohlraum mit Josephson-Konstanten im Zentrum. Dieses Verhalten ist gut erklärt in einer Veröffentlichung ^von D« N. Langenberg u. a. in den Physical Review Letters Band 15, Heft 7 vom 16. August 1965 auf den Seiten 294 bis 297.

Nach Fig. 5 sind die Elektroden 10 und 12 aus Metall. Sie haben isolierende Schichten IOD bzw. 12D. In der Elektrodenstruktur befindet sich der supraleitende Bereich 16, welcher die Josephson-G-renzschicht ist. Obgleich in der Zeichnung besondere Vorspannungsmittel nicht eingezeichnet sind, sind sie tatsächlich in der in Figo 1 gezeigten Weise vorhanden. Die Isolierschichten verhindern, daß Gleichstrom direkt zwischen den Elektroden 10 und 12 fließt, und gewährleisten, daß der gesamte Gleichstrom über die Josephson-Grenzflache fließt. Wie vorher erörtert, kann der Querschnitt des Hohlraumes jede geometrische Gestalt haben.

Tabelle

Elektroden

Josephson-Kontakte

Jedes Material,das Jedes Material

mit

supraleitenden Eigenschaften im

Phasendiagramm, einschließlich Metallen und Halbleitern

den Strom leitet,
einschließlich
Metalle und
Halbleiter

Isolator

Jeder Isolator,welcher bei tiefen Temperaturen funktioniert, einschließlich z.B. und

Auch Verarmungs-Sperrschichten von Halbleitern
sind geeignet.

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1 O 9 8 4 37 1 U O

Ein Kohärentoszillator, welcher Wellen mit einer Frequenz "bis zu 2000 Gigahertz oder mehr erzeugt, kann mit einer Josephson-Grenzflächen-Interhohlraumstruktur versehen sein. Beim Zweipartikeltunneln oberhalb der Energielücke der Elektroden sind Frequenzen bis zu 10 000 Gigahertz ohne Rauscheffekte möglich. Die zur Fabrikation dieser Oszillatoren gebrauchten Materialien können aus geeigneten Materialien ausgewählt werden. In der Tabelle sind solche Materialien aufgeführt, die man für die Elektroden, für Josephson-iContakte und für die Josephson-Kontakte umgebenden Isolatoren im Bedarfsfalle benutzen kann_o Nach dieser Tabelle kann jede Kombination benutzt werden.

Die Figuren 6A, 6B, 60 und 6D zeigen verschiedene Plazierungen der supraleitenden Bereiche (Josephson-Grenzflächen, auch Josephson-Junctions genannt) im Hohlraum. Bei dieser Erörterung ist die Annahme getroffen, daß nur eineJosephson-Grenzflache vorgesehen ist, so daß die Plazierung der Bereiche der Plazierung der Grenzflächen entspricht. Die Plazierung der Bereiche, welche die Josephson-Grenzflache (bzw. Grenzflächen) enthält (bzw. enthalten) bestimmt die zu erregenden Moden.

Im Falle der Fig. 6A ist der Bereich (Grenzfläche 16) im Zentrum des Hohlraumes 18 lokalisiert, so daß die Länge L einer einzelnen Wellenlänge\ entspricht. Die elektromagnetische Welle ist hier durch die Kurve 50 schematisch dargestellt. Sie hat den elektrischen Feldvektor E₀

Im Falle der Fig. 6B werden zwei Josephson-Grenzflächen 16 benutzt. Jede ist in der Nghe des Hohlraumendes plaziert. Dies bedeutet, daß die elektromagnetische Strahlung einen elektrischen Null-Feld-Vektor bei den Grenzflächen 16 haben wird und daß die Länge L einer halben Wellenlänge entspricht,

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Im Falle der Figuren 6C und 6D (Schnittansicht) hat ein Oszillator drei Josephson-Bereiche (Grenzflächen) längs der Hohlraumlänge a. Die Vorspannungsmittel sind hier nicht besonders angegeben, sie sind die gleichen wie im Falle der Fig. 1. Dies ist eine Kaskadenstruktur, und jede Grenzfläche koppelt Energie des gleichen Modus in den He-•sonanzhohlraum 18. Auf diese Weise wird eine wesentliche Ausgangsleistung erreicht» Verschiedene Moden können auch durch selektive Plazierung der Grenzflächen 16 längs der Distanz a erregt werden.

Fig. 7 zeigt die Funkenerosionstechnik, die zur Bildung der Josephson-Grenzflachen herangezogen wird. Zur Funkenerosion sei auf das IBM Technical Disclosure Bulletin Band 12, Nr. 2 vom Juli 1969 Seite 344 hingewiesen. Die Elektrode 40 nach Fig. 7 hat eine gewünschte Gestalt und je nach dem gewünschten Hohlraum entsprechende Abmessungen. Sie besteht aus einem Material, das im PhasendiagraTnm einen supraleitenden Bereich aufweist.

Diese Elektrode ist elektrisch mit einer anderen Elektrode 42, die in der Form einer Probe ist, verbunden. Die vorgesehene Spannungsquelle 44 dient zur Aufladung des Kondensators C auf eine niedrige Spannung (1 bis 30T)₀ Damit soll eine Funkenentladung zwischen den Elektroden 40 und 42 geschaffen werden. Diese erfolgt in einer Umgebung mit flüssigem Helium, so daß die schnelle Verdampfung und Rekristallisation des Materials zwischen den Elektroden 40 und 42 sehr kleine Bereiche 46 bilden wird. Wenn zum Beispiel die Elektroden 40 und 42 aus Galliumarsenid bestehen, bildet der Funkenerosionsprozeß sehr kleine supraleitende Bereiche aus Gallium. Diese sind dann die Josephson-Grenzflächen-Kontakte.

Die Elektrode 42 wird entlang der Oberfläche der Elektrode

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40 bewegt, und es "bilden sich durch die Funkenerosionen supraleitende Bereiche 46 an gewünschten Stellen aus. Nach Ablage der supraleitenden Bereiche 46 wird eine, in der Zeiclinung nicht besonders dargestellte zweite Elektrode in Kontakt mit der Elektrode 40 gebracht, zum Beispiel durch Aufdampfen oder Sputtern auf die Elektrode 40. In dieser Weise wird ein ganzes Festkörperpaket gebildet. Wenn die Elektroden aus Halbleitern bestehen, dann wird der durch die Elektroden definierte Hohlraum ein Festkörperhohlraum sein, und es wird ganz einfach sein, die Ausgangs strahlung mit anderen Halbleiterbauteilen auf demselben Chip zu koppeln. Dies ist durch den Gebrauch bekannter Bauelemente, wie Halbleiter-Wellenleiter, leicht zu machen.

Im Gegensatz zum Stande der Technik, wo die Aus gangs strahlung aus einem externen Hohlraum durch eine Wellenführung mit anderen Bauelementen zu koppeln ist, können bei der Erfindung alle Bauelemente und der Oszillator auf dem selben Halbleitersubstrat gebildet werden. Die Tatsache, daß die Hohlraumabmessungen angenähert dieselben sind wie jene anderer Bauelemente, ermöglicht ein direktes Koppeln mit diesen anderen Bauelementen.

Dieselben Elektroden, die für die Funkenerosion verwendet werden, können natürlich zur Definition des Hohlraums dienen. In diesem Falle werden die Elektroden zuerst mit der passenden Größe hergestellt und dann in dichtem Abstand bei Tieftemperaturumgebung (flüssiges Helium ist geeignet dazu) plaziert. Eine angelegte Spannung (1 bis 30 Volt) liefert dann die Funkenerosion, so daß an dieser Stelle ein supraleitender Bereich zustande kommt. Um eine Funkenerosion an einer bestimmten Stelle der Elektrodenoberfläche zu machen, können die Elektroden maschinell hergestellt sein oder geätzt sein, so daß sie am geschlossensten auf der gewünschten Oberfläche sind. Wenn eine niedrige Span-

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nung (weniger als 10 Volt)■verwendet wird, dann muß die Polarität der Spannung im allgemeinen umgekehrt und die Spannung wieder zugeführt werden, damit Funkenerosion von beiden Elektroden eine supraleitende. Brücke zwischen den Elektroden bildet.

Wenn im Falle der Figo 7 <üe Elektroden aus Metall bestehen, dann wird ein Dielektrikum auf die untere Elektrode 40 aufgetragen ehe die obere Elektrode verdampft. Wie oben bereits erklärt, gewährleistet dies, daß der Gleichstrom nur durch die Josephson-Grenzflache fließt anstatt rings um die Grenzfläche (Grenzflächen). In der Praxis dieser Methode besteht eine sehr geeignete Elektrodenprobe 4-2 aus Niobium. Dieses kann zu einem kleinen Punkt festgelegt werden und hat einen hohen Schmelzpunkt. Die Elektrodenprobe kann gedoch irgendein Leiter sein. V7enn mindestens eine Elektrode ein Halbleiter ist, dann gibt es eine Schottky-Sperrschicht im Halbleiter, wie oben.bereits erklärt wurde.

Fig. 8 illustriert die Technik der Frequenzmodulation der AusgangsStrahlung in jedem Hohlraumodus_o Die Struktur ist hier der bereits vorher gezeigten ähnlich mit dem Zusatz einer zweiten Vorspannungsquelle Vp» ä-ie zur Variation der Länge L diente

Die Elektroden 10 und 12 liefern den Strom an die Josephson-Grenzfläche 16 (oder Junctions). Diese ist in dem Hohlraum 18 lokalisiert. Die Elektroden bestimmen den Hohlraum. Durch die variable Quelle V-, wird die Josephson-Grenzfläche 16 mit Gleichstrom versorgt. Die Spannungsquelle V-. ist über den Widerstand El mit den Metallkontakten 1OB und 12B verbunden. Die Elektroden 10 und 12 sind zusammen mit der Grenzfläche 16 von dem umgebenden piezoelektrischen Halbleiter 19 durch die Isolierschicht 13 getrennt. Dies gewährleistet, daß die elektrischen Felder, welche durch die

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Spannungsquellen V₁ und V₂ gebildet werden, nicht miteinander interferieren. In der Zeichnung ist der piezoelektrische Halbleiter 11 zweiteilig gezeigt (Linie 20 ist die Trennung)· Natürlich kann dieser auch aus einem einzigen Materialstück bestehen.

Die Höhe des Resonanzhohlraumes ist h. Die Skin-Tiefe der elektromagnetischen Strahlung ist durch die gestrichelten Linien 22 dargestellt. An das piezoelektrische Material ist eine variable Spannungsquelle Vo angeschlossen. Die im Material durch Anlegen der Spannung Vg erzeugte Spannung bewirkt eine Änderung der Distanz L. Dies führt wiederum zur Frequenzmodulation der elektromagnetischen Ausgangsstrahlung mit der Frequenz der Modulation der Quelle Vo· Danach wird jeder Modus (n = 1, 2, 3.··.) nach Fig. 4 über einen Frequenzbereich laufen.

Die Fig. 9 zeigt eine andere Technik für die Frequenzmodulation der Resonator-Hohlraum-Ausgangsleistung. Die Vorrichtung ist jener nach Fig. 8 ähnlich mit der Ausnahme, daß eine Elektrode 15 ein Metall ist, während die andere Elektrode 17 ein Halbleiter ist (es könnten beide Elektroden aus Halbleitermaterial sein).

Die Josephson-Grenzflache ist umgeben von einer Schottky-Sperrschicht 19β Die Elektroden 10 und 12 besitzen eine Josephson-Grenzflache 16. Diese erhält Strom aus der Spannungsquelle V-,, welche mit den Elektroden 10 und 12 über den Widerstand Rl verbunden sind.

Die Schottky-Sperrschicht-Verarmungsschicht 19 ist in der Elektrode 19 auf einer Seite der Josephson-G-renzfläche 16 gebildet. An diese Sperrschicht ist eine variable Spannungsquelle Vo und ein Widerstand R2 angeschlossen Durch Variieren

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der Spannung Vo wird die Breite der Verarmungsschicht variiert } und die Abmessungen des Hohlraumes werden geändert. Die Höhe des Hohlraumes ist durch die Höhe äer Verarmungs-Sperrschicht, anstatt durch die Skin-Tiefe der elektromagnetischen Eindringung, wie vorher illustriert, bestimmt. Durch Variation von Vo wird die Frequenz jedes Resonanzmodus bei der Frequenz der Änderung der Spannung Vo moduliert.

Patentansprüche

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Claims

Patent ansprüche

1.) Supraleitender Oszillator für eine elektromagnetische Strahlung im Millimeterbereich und im Infrarotbereich, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Josephson-Grenzschicht (16) zwischen den einen internen Resonanz-Hohlraum (18) bestimmenden Elektroden (10, 12), über welche die Josephson-Grenzschieht (16) mit Gleichstrom versorgt wird, lokalisiert ist, wobei die Josephson-Grenzschicht (16) bei angelegter Vorspannung hochfrequente elektromagnetische Schwingungen liefert.

2.) Supraleitender Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Elektroden (10, 12) Dielektrika enthalten.

3.) Supraleitender Oszillator nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß halbleitende Elektroden mit mindestens einer Verarmungsschicht vorgesehen sind, wobei diese Halbleiter den Eesonanz-Hohlraum definieren.

4.) Supraleitender Oszillator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Verarmungsschicht veränderbar ist.

5») Supraleitender Oszillator nach den Ansprüchen 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Jösephson-Grenzschichten mit dem Eesonanz-Hohlraum elektromagnetisch gekoppelt sind.

6.) Supraleitender Oszillator nach den Ansprüchen 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Josephson-Grenzschicht im Zentrum des Hohlraumes (18) lokalisiert ist. - 24 -

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7.) Supraleitender Oszillator nach, den Ansprüchen 1 "bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Josephson-Grenzflache (16) an der Umrandung des Hohlraumes (18) lokalisiert ist.

8.) Supraleitender Oszillator nach, den Ansprüchen 1 "bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektrische Elektroden die Geometrie des Hohlraums (18) variieren.

9.) Supraleitender Oszillator nach den Ansprüchen 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (10, 12) aus Galliumarsenid bestehen.

10.) Supraleitender Oszillator nach den Ansprüchen 1 bis

9, dadurch gekennzeichnet, daß das "Verhältnis der Breite des Hohlraums (18) zur Breite der Josephson-Grenzschicht (16) großer als 10 : 1 ist»

11.) Verfahren zum Herstellen des Oszillators nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Materialien, von denen jedes in einem Teil ihres Phasendiagramms Supraleitfähigkeit zeigt, in einer kryogenen Umgebung positioniert werden und daß zwischen diesen Materialien durch Verdampfen und Rekristallisieren beim fc Anlegen einer Spannung zwischen diesen Materialien ein kleiner supraleitender Bereich gebildet wird,

12.) Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein kleiner supraleitender Bereich auf einer Elektrodenoberfläche durch Funkenerosion bei kryogenen Temperaturen gebildet wird, wobei diese Elektrode mit einer zweiten Elektrode einen Resonanz-Hohlraum für die Hochfrequenzschwingung bildet.

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13·) Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode durch Aufdampfen hergestellt wird.

14.) Verfahren nach den Ansprüchen 11 Ms 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung supraleitender Bereiche Funkenentladung bei niedriger Temperatur zwischen einer beweglichen. Sonde (42) und einer ersten Elektrode (12) durchgeführt wird und daß nach der Bildung supraleitender Bereiche (16) entlang der Oberfläche der ersten Elektrode (12) eine Gegenelektrode (10) zur ersten Elektrode (12) angeordnet wird.

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