СВЧ-УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СКВИДа Российский патент 2008 года по МПК H01L39/22 

Изобретение относится к криогенной радиотехнике, а именно к усилителям радиочастотного диапазона, и может быть использовано для усиления электрических сигналов в гигагерцовом диапазоне частот.

Радиочастотные усилители на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД) имеют высокую чувствительность и обладают низкой шумовой температурой, совместимы с другими сверхпроводниковыми устройствами. Так, усилитель на объемных элементах на частоте 100 МГц продемонстрировал коэффициент усиления около 20 дБ с шумовой температурой 1±0,4 К при входном устройстве, выполненном на коаксиальном кабеле (см., например, US 4585999, Hilbert et al., 29.04.1986).

Описаны различные технические решения, в которых рассмотрены принципы согласования входных и выходных цепей усилителя на СКВИД с нагрузкой для диапазона до 0,1 ГГЦ (JP 60247311, Noguchi, оп. 07.12.1985). В изобретении (JP 1245605, Takami et al., 29.09.1989) описан усилитель на СКВИДе постоянного тока, в котором для электрической подстройки согласования интерферометра с охлаждаемым предусилителем используется второй СКВИД как регулируемый индуктивный элемент согласующей цепи, однако он предназначен для работы на существенно более низких частотах. В другом устройстве на низкотемпературном (4,2 К) СКВИДе реализован магниторезистивный принцип усиления на выходе СКВИДа, обеспечивающий измерение малых токов, напряжений или магнитных полей, без систем обратной связи и шумоподавления, но в описании отсутствуют указания на возможность использования в интересующем диапазоне частот (DE 4003060, Berthel et al., 08.08.1991).

В изобретении (DE 3936686, Hoenig, 08.05.1991) описан усилитель на матрице СКВИД, охлаждаемой жидким азотом, в тонкопленочном варианте, однако указывается, что он может работать до частот 100 МГц. В другом изобретении (RU 2051445 С1, Никулов А.В., 27.12.1995) описан сверхпроводниковый усилитель тока на основе эффекта Джозефсона, использующий длинный джозефсоновский контакт с сэндвич-структурой, не предназначенный для усиления аналоговых сигналов в СВЧ-диапазоне.

Описана схема входного устройства усилителя на СКВИД, предназначенного для измерения малых токов при регистрации рентгеновского излучения (JP 2001007666, Ikeda et al., 12.01.2001), однако и это устройство не обеспечивает усиления сигналов с несущей частотой в ГГц-диапазоне.

Существуют две проблемы, затрудняющие переход к более высоким частотам сигналов в диапазоне 1-10 ГГц при сохранении столь же высоких показателей по усилению и шумовой температуре, делающих эти усилители конкурентоспособными по отношению к полупроводниковым усилителям на транзисторах. Во-первых, СКВИД-усилители являются особым видом параметрических усилителей, в которых усиление мощности сигнала на его частоте F_S происходит путем преобразования сигнала на частоту F_S+F_J, где F_J - частота джозефсоновской генерации, и обратного преобразования снова на частоту F_S. Исходя из соотношений Мэнли-Роу, коэффициент усиления по мощности, G, такого усилителя не превышает

Поэтому джозефсоновские контакты СКВИДа должны обладать высоким характеристическим напряжением, V_С, чтобы предельная частота F_С джозефсоновской генерации

где Ф₀ - квант магнитного потока, равный 2,07×10^-15 Вб, была на несколько порядков выше частоты сигнала. Для СКВИДов на основе Nb джозефсоновских контактов типичные значения V_С не превышают 100-200 мкВ, соответственно значения F_С не превышают 100 ГГц. Типичные значения F_J в рабочей точке примерно на порядок меньше F_C, и как видно из формулы (1), усиление исчезает для сигналов с частотой порядка 10 ГГц. Естественно, ухудшаются и шумовые характеристики усилителя.

Второй проблемой для СВЧ-усилителей на основе классических СКВИДов с многовитковой входной катушкой в частотном диапазоне выше 0,1 ГГц является увеличивающаяся с повышением частоты утечка сигнала на землю через паразитную емкость между катушкой и контуром СКВИДа.

Решение первой проблемы - повышения характеристического напряжения, V_С, лежит в использовании в СКВИДах ВТСП джозефсоновских контактов, которые демонстрируют значения V_C в милливольтовом диапазоне и могут обеспечить значительное усиление на частотах до 10 ГГц.

Одним из вариантов решения второй проблемы - уменьшения паразитной емкости между катушкой и контуром СКВИДа при сохранении связи по сигналу было использование тонкопленочных СКВИДов постоянного тока с разомкнутой входной катушкой, функционирующей как микрополосковый резонатор. Использование такого приема позволило получить усиление 6 dB на частоте 7,4 ГГц на ниобиевом СКВИДе (М.Mueck, С.Weltzel, J.Clarke. "Superconducting quantum interference device amplifiers at gigahertz frequencies", Appl. Phys. Lett., 2003, vol.82, No.19, pp.3266-3268).

Использование СКВИДов на основе высокотемпературных сверхпроводников на бикристаллических подложках позволило в первых же экспериментах достичь коэффициента усиления 4 дБ на частоте около 1,5 ГГЦ ((Радиотехника и электроника, 2000, т.45, №9, с.1147-1152). В последующих публикациях было показано, что СКВИД усилитель на основе высокотемпературного сверхпроводника YBCO на бикристаллической подложке из ZrO₂ может иметь усиление 16 dB на частоте 0.52 ГГц (Kalaboukhov A.S. et al., IEEE Trans. on Applied Superconduct., 2003, v.13, No2, p.1039-41). Значения характеристического напряжения V_C джозефсоновских контактов (вследствие использования бикристаллической подложки с большим углом разориентации - 30°) оказались низкими - всего 0.5 мВ, что и привело в этом случае к относительно невысоким значениям коэффициента усиления.

Общим недостатком конструкций усилителей как на низкотемпературных металлических, так и на высокотемпературных - оксидных сверхпроводниках с разомкнутой входной катушкой, функционирующей как микрополосковый резонатор, является узкая полоса усиления и вытекающие отсюда трудности согласования такого усилителя с 50-омными стандартными элементами СВЧ-техники. Конструкции усилителей, использовавших резистивные пленки для подавления добротности резонансов во входной катушке СКВИДа, известны для низкочастотных устройств и не уменьшают паразитную емкость между катушкой и контуром СКВИДа (см., например, US 6169397, Steinbach et al., 02.01.2001).

Наиболее близким по назначению и совокупности признаков является СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа, содержащий двухконтактный квантовый интерферометр на основе многослойной структуры высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП)/изолятор/нормальный металл, сформированной на изолирующей бикристаллической подложке, связанный с входной и выходной микрополосковыми линиями, средства электрического согласования (Тарасов М.А. и др. "Радиочастотный усилитель на основе сверхпроводящего квантового интерферометра постоянного тока с микрополосковой входной катушкой", ж. Радиотехника и электроника, 2000, т.45, №9, с.1147-1152 - ближайший аналог). В полной мере приведенное в обзоре уровня техники относится и к ближайшему аналогу: не представлены кардинальные решения названных проблем, позволяющие существенно поднять значения V_C, уменьшить паразитную емкость входной катушки и обеспечить согласование в более широкой полосе частот.

Предметом настоящего изобретения является конструкция СВЧ-усилителя на основе высокотемпературного СКВИДа постоянного тока, имеющего повышенный коэффициент усиления в гигагерцовом диапазоне частот.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении симметрии земляных электродов выходной копланарной линии на частоте сигнала в гигагерцовом диапазоне частот при повышении коэффициента усиления.

Технический результат достигается тем, что СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа содержит двухконтактный квантовый интерферометр на основе слоистой структуры высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП)/изолятор/нормальный металл, сформированной на изолирующей бикристаллической подложке, связанный с входной и выходной линиями передачи, средства электрического согласования.

Патентуемое устройство характеризуется тем, что линии передачи выполнены в виде копланарных линий, установленных соосно интерферометру и имеющих протяженный центральный электрод, образованный в слое ВТСП на поверхности подложки, и размещенную с зазором по обе стороны от центрального электрода по меньшей мере одну пару внешних электродов, образованных в слое нормального металла, выполняющих функцию обкладок конденсаторов средств электрического согласования.

Центральный электрод входной копланарной линии соединен с интерферометром по слою нормального металла через щелевую линию и индуктивный элемент, выполненные в слое ВТСП, причем индуктивный элемент выполнен в виде меандровой полоски, концы которой подключены к токоподводам джозефсоновских контактов квантового интерферометра по одну сторону бикристаллической границы.

Центральный электрод выходной копланарной линии подключен к токоподводам джозефсоновских контактов по другую сторону бикристаллической границы, при этом вдоль его длины образованы первая, вторая и третья пары внешних электродов и пара индуктивных элементов в виде меандровой полоски, выполненной в слое ВТСП.

Электроды первой и второй пар внешних электродов и концы меандровой полоски с каждой стороны от центрального электрода соединены последовательно, электроды в парах соединены параллельно с образованием выходных индуктивно-емкостных фильтров, а электроды третьей пары - закорочены проводником с образованием общего электрода.

Устройство может характеризоваться тем, что слоистая структура образована на бикристаллической подложке из сапфира, содержит в качестве ВТСП соединение YBa₂Cu₃O_7-x, нанесенное на подслой из CeO₂, в качестве изолятора - SiO₂, а в качестве нормального металла - золото.

Устройство может характеризоваться также тем, что питание интерферометра по постоянному току осуществляется через центральный и общий электроды выходной копланарной линии.

Существо изобретения поясняется на чертежах, где:

на фиг.1 представлена конструкция СВЧ-усилителя;

на фиг.2 - увеличенное изображение центральной части;

на фиг.3 - сечение тела усилителя по линии А-В;

на фиг.4 - эквивалентная схема усилителя;

на фиг.5 - зависимость коэффициента усиления СВЧ-усилителя от частоты и значения динамического сопротивления СКВИДа;

на фиг.6 - микрофотография СВЧ-усилителя.

В основе изобретения лежит оптимизация конструкции устройства: отказ от использования входных катушек, являющихся элементами низкочастотной техники, для приложения СВЧ-сигнала к интерферометру СКВИДа и переходу к использованию для этих целей входного микрополоскового согласующего устройства, состоящего из копланарных и щелевых линий, тонкопленочных индуктивностей и емкостей. Патентуемое техническое решение отличается оптимизированным местоположением важного выходного СВЧ-элемента - так называемой 0-закоротки, обеспечивающей симметрию земель выходной копланарной линии на частоте сигнала, что приводит к улучшению характеристик устройства.

Устройство представляет (фиг.1-3) слоистую структуру, размещенную на сапфировой бикристаллической подложке 1 с бикристаллической границей 2. Кристаллофизические параметры подложки и технология образования слоистой структуры в данном описании не приводятся и известны (см., например, Е.Stepantsov et al., THz Josephson properties of grain boundary YBaCuO junctions on symmetric, tilted bicrystal sapphire substrates, J.Appl. Phys., v.96, N6, pp.3357-3361 (2004)).

Структура имеет четыре слоя: по всей плоскости подложка покрывается подслоем окиси церия СеО₂, поверх которого без разрыва вакуума наносится пленка ВТСП - соединение YBa₂Cu₃O_7-x, иногда указываемое как YBaCuO (или YBCO). Далее на подложку со сформированной литографией в слоях CeO₂/YBCO структурой наносится слой изолятора - SiO₂, и в нем литографией формируют часть элементов согласования. Затем наносится слой золота, в котором формируют остальные элементы СВЧ-усилителя.

В слоях CeO₂/YBCO методами литографии формируется большая часть элементов СВЧ-усилителя. Он содержит центральный электрод 3 входной 50-омной копланарной линии (входной терминал 30 на эквивалентной схеме - фиг.4). Электрод 3 отделен разрывом 4 от ее внешних электродов 5, 6. Внешний электрод 5 одновременно является первым электродом щелевой линии 7. Электрод 8 является вторым электродом щелевой линии 7, передающим сигнал в интерферометр СКВИДа 9. Интерферометр включает индуктивность, обозначенную поз.LSQ на схеме, выполненную в виде меандровой полоски 10. Два джозефсоновских контакта 11.1, 11.2 сформированы в пленке ВТСП (YBCO) на бикристаллической границе 2 подложки 1. Концы полоски 10 подключены к токоподводам джозефсоновских контактов 11.1, 11.2 по одну сторону бикристаллической границы 2.

Центральный электрод 12 интерферометра СКВИДа 9 является центральным электродом выходной копланарной линии (выходной терминал 40 на эквивалентной схеме), внешние электроды которой 13, 14 имеют индуктивности, обозначенные поз.L1, L2. Индуктивности выполнены в виде меандровых полосок 15, 16 и разделяют "земли" входной и выходной копланарных линий на частоте сигнала. Центральный электрод 12 выходной копланарной линии подключен к токоподводам джозефсоновских контактов 11.1, 11.2 по другую сторону бикристаллической границы 2 относительно электрода 3. Пары внешних электродов 13-14, 18-19, 20-21 и пара индуктивных элементов в виде меандровых полосок 15-16, выполненных в слое ВТСП, располагаются вдоль длины электрода 12.

После выполнения литографии в слое CeO₂/YBCO на подложку со сформированной и описанной выше структурой напыляется слой изолятора - двуокиси кремния SiO₂. Далее проводится фотолитография, формирующая изолирующие слои конденсаторов входных 50 и выходных фильтров 60, обозначенных поз.С12, С21, С22, С31, С32 на эквивалентной схеме (фиг.4).

Далее на подложку 1 напыляется слой золота, литографией в нем формируются верхние электроды 17-21 упомянутых конденсаторов, проводник 22 и обеспечивается соединение центрального электрода 3 входной копланарной линии с верхним электродом 8 щелевой линии 7, передающим сигнал к интерферометру СКВИДа 9. Проводник 22 (т.н. «нуль-закоротка») предназначен для выравнивания потенциалов внешних электродов 13, 14 выходной копланарной линии.

Топология слоев на бикристаллической сапфировой подложке 1 (сечение А-В, фиг.2) в месте соединения центрального электрода 3 входной копланарной линии с верхним электродом 8 щелевой линии 7 показана на фиг.3. Обозначения: поз.26 - слой CeO₂/YBCO; поз.27 - слой SiO₂; поз.28 - слой золота.

В экспериментальном образце СВЧ-усилителя, конструкция которого описана выше, толщины пленок составляли: подслой CeO₂ - 30 нм, слой ВТСП (YBCO) - 250 нм, слой SiO₂ - 400 нм, слой золото - 200 нм. Бикристаллические сапфировые подложки с углом разориентации 24° обеспечивают получение значений характерного джозефсоновского напряжения V_C на уровне 0,2 мВ при 77°К (A.Kalabukhov, et al., "Design, fabrication and experimental investigation of high-Tc dc SQUID RF amplifier with a slot-line input circuit" - in Extended Abstract of International Superconductive Electronics Conference (ISEC'05), Noordwijkerhout, The Netherlands, September 5-9, 2005, Report P-H.23).

СВЧ-усилитель работает следующим образом. Сигнал U_ВХ подается на центральный электрод 3 входной микрополосковой копланарной линии, выполненный в базовом нижнем ВТСП слое. Как видно на фиг.2, в этом сверхпроводящем слое сформированы центральный электрод 12 выходной копланарной линии, а также ее земляные электроды 13, 14, включающие части структур, формирующих щелевую линию 7 и элементы 15, 16, 18, 19, 20, 21 выходных индуктивно-емкостных фильтров.

Электрод 3 изолирован разрезами в пленке от всех других электродов, кроме электрода 28, выполненного в слое золота. Ток, вызванный сигналом в электроде 3, через электрод 28 передается на один из электродов (позиция 8 на фиг.1, 2) щелевой линии 7. Как отмечено выше, электрод 8 является частью односвязной структуры, выполненной в слое ВТСП, но электрически на частоте сигнала он отделен от общей "земли" усилителя, включающей электроды 13, 14 - части этой структуры.

Далее ток, возбужденный усиливаемым сигналом, протекает по части контура интерферометра, выполненной в виде меандровой полоски 10 с индуктивностью LSQ (см. фиг.4), создавая в интерферометре СКВИДа магнитный поток на частоте сигнала. Вследствие электродинамических процессов в интерферометре, содержащем джозефсоновские контакты 11.1, 11.2, между центральным электродом 12 выходной копланарной линии усилителя и ее земляными электродами 13, 14 возникает напряжение на частоте сигнала.

Геометрия структуры в ВТСП слое оставляет возможность протекания сигнального тока не только по контуру интерферометра 9, но и по параллельному, паразитному по отношению к интерферометру, пути - от электрода 8 щелевой линии 7 через емкости выходных фильтров 18, 19 (С21 и С22 на эквивалентной схеме фиг.4) и подводящие к ним участки структуры, обладающие индуктивностями (LS1 и LS2 на эквивалентной схеме фиг.4) вследствие пространственной концентрации СВЧ-тока. Однако на сигнальной частоте ω модуль импеданса интерферометра

и большая часть тока протекает через индуктивность LSQ.

Входной фильтр 50, формирующий полосу частот сигнала СВЧ-усилителя, определяется как величиной импеданса источника входного сигнала, так и значениями емкости С12 и импеданса RJ1, RJ2 джозефсоновских контактов 11.1 и 11.2 интерферометра СКВИДа 9 (см. фиг.4).

С выхода интерферометра, преобразующего магнитный поток в напряжение, усиленный сигнал U_ВЫХ по электроду 12 поступает на выходную копланарную линию, полоса пропускания которой формируется выходным фильтром 60 и определяется параметрами структуры: значениями (L1+C21+C31) и (L2+C22+C32) и импедансом нагрузки (50 Ом).

Индуктивности LS1, L1, LS2, L2 изолируют электрод 12 выходной линии интерферометра от земли - электродов 13, 14 схемы и блокируют утечку энергии колебаний джозефсоновской генерации из контура интерферометра, осуществляющего параметрическое преобразование сигнала.

Низкоиндуктивная закоротка в форме проводника 22 симметрирует выходную линию. Питание интерферометра по постоянному току осуществляется через центральный электрод 12 и общую "землю" выходной копланарной линии.

На фиг.6 показана зависимость коэффициента усиления СВЧ-усилителя от частоты и значения динамического сопротивления Rd СКВИДа 9, микрофотография которого приведена на фиг.7. Видно, что при значениях Rd, близких к 10 Ом, усиление составляет около 20 dB на частоте около 5 ГГц.

Представленные данные свидетельствуют о достижении технического результата и решении поставленной задачи.

Изобретение относится к криогенной радиотехнике и может быть использовано для усиления электрических сигналов в гигагерцовом диапазоне частот. Техническим результатом изобретения является обеспечение симметрии земляных электродов выходной копланарной линии на частоте сигнала в гигагерцовом диапазоне частот при повышении коэффициента усиления. Сущность изобретения: СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа содержит двухконтактный квантовый интерферометр на основе слоистой структуры высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП)/изолятор/нормальный металл, сформированной на изолирующей бикристаллической подложке, связанный с входной и выходной линиями передачи, средства электрического согласования. Линии передачи выполнены в виде копланарных линий, установленных соосно интерферометру и имеющих протяженный центральный электрод, образованный в слое ВТСП на поверхности подложки, и размещенную с зазором по обе стороны от центрального электрода по меньшей мере одну пару внешних электродов, образованных в слое нормального металла, выполняющих функцию обкладок конденсаторов средств электрического согласования. Центральный электрод входной копланарной линии соединен с интерферометром по слою нормального металла через щелевую линию и индуктивный элемент, выполненные в слое ВТСП, причем индуктивный элемент выполнен в виде меандровой полоски, концы которой подключены к токоподводам джозефсоновских контактов квантового интерферометра по одну сторону бикристаллической границы. Центральный электрод выходной копланарной линии подключен к токоподводам джозефсоновских контактов по другую сторону бикристаллической границы, при этом вдоль его длины образованы первая, вторая и третья пары внешних электродов и пара индуктивных элементов в виде меандровой полоски, выполненной в слое ВТСП. Электроды первой и второй пар внешних электродов и концы меандровой полоски с каждой стороны от центрального электрода соединены последовательно, электроды в парах соединены параллельно с образованием выходных индуктивно-емкостных фильтров, а электроды третьей пары - закорочены проводником с образованием общего электрода. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа, содержащий двухконтактный квантовый интерферометр на основе слоистой структуры высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП)/изолятор/нормальный металл, сформированной на изолирующей бикристаллической подложке, связанный с входной и выходной линиями передачи, средства электрического согласования, отличающийся тем, что линии передачи выполнены в виде копланарных линий, установленных соосно интерферометру и имеющих протяженный центральный электрод, образованный в слое ВТСП на поверхности подложки, и размещенную с зазором по обе стороны от центрального электрода по меньшей мере одну пару внешних электродов, образованных в слое нормального металла, выполняющих функцию обкладок конденсаторов средств электрического согласования, центральный электрод входной копланарной линии соединен с интерферометром по слою нормального металла через щелевую линию и индуктивный элемент, выполненные в слое ВТСП, причем индуктивный элемент выполнен в виде меандровой полоски, концы которой подключены к токоподводам джозефсоновских контактов квантового интерферометра по одну сторону бикристаллической границы, центральный электрод выходной копланарной линии подключен к токоподводам джозефсоновских контактов по другую сторону бикристаллической границы, при этом вдоль его длины образованы первая, вторая и третья пары внешних электродов и пара индуктивных элементов в виде меандровой полоски, выполненной в слое ВТСП, причем электроды первой и второй пар внешних электродов и концы меандровой полоски с каждой стороны от центрального электрода соединены последовательно, электроды в парах соединены параллельно с образованием выходных индуктивно-емкостных фильтров, а электроды третьей пары закорочены проводником с образованием общего электрода.2. СВЧ-усилитель по п.1, отличающийся тем, что слоистая структура образована на бикристаллической подложке из сапфира, содержит в качестве ВТСП соединение YBa₂Cu₃O_7-x, нанесенное на подслой из СеО₂, в качестве изолятора - SiO₂, а в качестве нормального металла - золото.3. СВЧ-усилитель по п.1, отличающийся тем, что питание интерферометра по постоянному току осуществляется через центральный и общий электроды выходной копланарной линии.