eng
Выпуск #2/1999
Л. Гусева.
Высокотемпературные сверхпроводники. Перспективы использования в СВЧ-компонентах
Высокотемпературные сверхпроводники. Перспективы использования в СВЧ-компонентах
Просмотры: 14792
Получение в 1987 году высокотемпературных сверхпроводников открыло дорогу реализации технических идей, считавшихся ранее фантастическими. Использование сверхпроводниковых материалов позволяет создавать самые разные приборы, обладающие очень высокими рабочими характеристиками при чрезвычайно малых габаритах, массе и потребляемой мощности. Одной из первых стала активно развиваться такая важнейшая область применения высокотемпературных сверхпроводников, как СВЧ-микроэлектроника, в частности ИС и пассивные компоненты.
Появление высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с переходом в сверхпроводящее состояние при температурах, превышающих температуру жидкого азота (D100 К), открыло путь к разработке приборов с уникальными параметрами, которые функционируют при достаточно простых и дешевых системах охлаждения вместо традиционного дорогостоящего гелиевого оборудования. Перспективные области применения высокотемпературной сверхпроводимости включают компактные и мощные двигатели для кораблей и подводных лодок, генераторы и накопители электроэнергии для оружия направленного действия, резонаторы для пучкового оружия, магниты для фокусировки электронных лучей в ЛБВ, электромагнитные экраны, магнитные и электромагнитные датчики, магнитометры, быстродействующие и компактные микропроцессоры, компьютеры и, наконец, микроэлектронные СВЧ-компоненты. Чрезвычайно широкий спектр применения ВТСП-материалов обусловлен отсутствием потерь на постоянном токе и небольшими потерями на переменном, экранированием магнитных и электромагнитных полей, возможностью передачи сигналов с минимальными искажениями, а также выполнения аналоговых и цифровых функций при 1000-кратном уменьшении мощности рассеяния и 10-20-кратном повышении быстродействия в сравнении с современными полупроводниковыми приборами.
Последние шесть-семь лет большое внимание уделяется разработке интегральных транзисторов, использующих ВТСП-материалы или их комбинации с полупроводниками. Пока ВТСП-транзисторы уступают по характеристикам полупроводниковым приборам. Однако в перспективе они будут играть большую роль в создании ИС, полностью изготовленных на ВТСП-материалах. Сегодня уже созданы первые образцы пассивных СВЧ-компонентов (фильтры, резонаторы, фазовращатели, антенны, линии задержки и др.), рабочие характеристики которых позволяют использовать их в системах мобильной радиосвязи.
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ВТСП-ПЛЕНОК
Широкие перспективы применения сверхпроводников в компонентах СВЧ-диапазона объясняются возможностью получения тонких пленок ВТСП-керамик на монокристаллических подложках. Как правило, к основным параметрам ВТСП-пленок относят удельное сопротивление и магнитную восприимчивость. Однако этих характеристик недостаточно для описания пленок на высоких частотах, так как при увеличении частоты в них быстро возрастают потери. Параметр, непосредственно определяющий высокочастотные свойства ВТСП-пленок, – их поверхностное сопротивление. Хотя природа сверхпроводимости в ВТСП-керамиках на микроскопическом уровне еще не совсем изучена, феноменологическая модель дает хорошее описание основного поведения этих материалов в СВЧ-диапазоне. Их поверхностный импеданс имеет следующий вид:
...
где lL – лондоновская глубина проникновения, ограничивающая область протекания тока сверхпроводимости и электромагнитного поля (важный параметр для всех сверхпроводников); nn – концентрация носителей в сверхпроводнике, испытывающих резистивное рассеяние (как электроны в обычных металлах); m – масса этих носителей; e – заряд электрона; t – время рассеяния квазичастиц; mO – магнитная постоянная; w – круговая частота.
Как видно из выражения, активное поверхностное сопротивление пропорционально квадрату частоты (в обычных металлах оно растет пропорционально квадратному корню из частоты). Однако благодаря тому, что начальное значение поверхностного сопротивления (на постоянном токе) у ВТСП-материалов на несколько порядков ниже, чем у металлов, они сохраняют это преимущество перед металлами до частот 100–200 ГГц. В результате на ВТСП можно создавать очень компактные линии передачи СВЧ-сигналов с значительно более низкими потерями, чем при использовании традиционных методов, а также быстродействующие цифровые ИС с высокими рабочими характеристиками, функциональной сложностью и плотностью упаковки.
Как активная, так и реактивная составляющие поверхностного импеданса играют важную роль при расчете рабочих характеристик фильтров, эталонов частоты и генераторов с низкими фазовыми шумами, создаваемых с использованием ВТСП-резонаторов. Активная составляющая определяет величину добротности резонатора, а реактивная – чувствительность прибора к температурным колебаниям длины волны линии передачи или собственной частоты резонатора и имеет значение для долговременной стабильности.
Наибольшее число исследований посвящено изучению СВЧ-свойств тонких пленок YBa2Cu3O7-x-керамики, методы получения которых уже хорошо отработаны. Измерение поверхностного импеданса в СВЧ-диапазоне – достаточно сложная задача, которую можно решать различными методами (электростатическим, с помощью плоскопараллельных или микрополосковых резонаторов и др.). Однако для этой керамики проведены необходимые измерения, и получена частотная зависимость поверхностного сопротивления объемного материала и тонкой пленки керамики в сравнении с медью и ниобием (рис.1). Важнейшее значение для определения качества ВТСП-пленок имеет температурная зависимость поверхностного импеданса. На рис.2 приведена зависимость поверхностного импеданса высококачественных YBa2Cu3O7-x-пленок от температуры [1,2].
ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ВТСП-ПЛЕНОК
Наибольший интерес вызывают семейства YBa2Cu3O7-x- и Tl2Ba2CaCu2Ox-керамики. Критическая температура (температура перехода в сверхпроводящее состояние – Tкр) у этих материалов находится в диапазоне 80–125 K. Они имеют ряд общих свойств, например слоистую структуру, электропроводящие плоские слои медь–кислород и выраженную анизотропию электрических параметров. Особое внимание разработчиков привлекают купраты на основе таллия, поскольку они имеют более высокую Tкр. Однако пленки этой керамики состоят из многочисленных фаз, что затрудняет получение однофазной пленки. Кроме того, таллий очень летуч, что осложняет создание пленок стехиометрического состава. Как показало изучение свойств таллийсодержащей керамики, ее поверхностное сопротивление при 77 К составляет 0,5 мОм/квадрат на частоте 8 ГГц и около 30 мОм/квадрат на частоте 22 ГГц, что объясняется недостаточно отработанной технологией получения этих пленок. Поэтому основное внимание в статье будет уделено YBa2Cu3O7-x-пленкам и микроэлектронным компонентам на их основе [3].
Для получения тонких пленок ВТСП-керамики могут применяться методы напыления; лазерного и электронно-лучевого испарения; магнетронного распыления; химического осаждения из газовой фазы; прямого и реактивного катодного распыления; молекулярно-лучевой эпитаксии и др. Последние два в настоящее время практически не используют для изготовления ИС и пассивных компонентов на ВТСП.
Напыление. Первым способом, с помощью которого стали получать ВТСП-пленки, было электронно-лучевое напыление. Поскольку ВТСП-материалы плавятся инконгруэнтно, их нельзя получать, пользуясь одним источником. Напыление из многочисленных источников не получило широкого распространения при изготовлении пленок на основе висмута и таллия из-за большого числа металлических компонентов и летучести таллия. Однако при использовании таллийсодержащих купратов хорошо зарекомендовал себя метод последовательного напыления отдельных элементов.
Лазерное испарение широко применяется при нанесении ВТСП-пленок. Его главное достоинство – возможность одинаково хорошо испарять все химические элементы, содержащиеся в мишени. Динамика процесса такова, что состав пленки почти полностью повторяет состав мишени. При правильном подборе температуры и давления происходит послойный рост ВТСП-пленки с необходимой структурной фазой. С помощью этого метода были выращены наиболее совершенные пленки YBa2Cu3O7-x-керамики.
Магнетронное распыление позволяет в одну стадию получать YBa2Cu3O7-x-пленки, по характеристикам не уступающие выращенным методом лазерного испарения и при этом имеющие более однородную толщину и более гладкую поверхность. При магнетронном распылении состав пленок, как правило, соответствует составу мишеней, но при использовании оксидных мишеней для предотвращения дефицита кислорода в растущей пленке в рабочую камеру подают кислород.
Как и при лазерном испарении, в результате образования плазмы возникают возбужденные атомы и ионы, что, в принципе, позволяет выращивать ВТСП-пленки в одну стадию при невысоких температурах. Однако если подложка расположена близко к мишени, а давление среды недостаточно, подложка подвергается интенсивной бомбардировке отрицательными ионами кислорода, которые разрушают структуру растущей пленки. Это основная проблема, которую предстоит решить при использовании метода магнетронного распыления для получения ВТСП-пленок.
Химическое осаждение из газовой фазы. По качеству получаемых пленок этот метод также не уступает лазерному испарению. Он хорошо зарекомендовал себя при получении многокомпонентных полупроводниковых соединений, но вполне пригоден и для нанесения ВТСП-пленок, поскольку многие ВТСП-соединения по структуре ближе к полупроводникам, нежели к традиционным керамикам. К преимуществам метода относят высокую скорость осаждения (до 1мкм/мин) при сохранении высокого качества пленок, а также возможность нанесения пленок на детали сложной конфигурации и большой площади. Последнее особенно важно при производстве ИС и пассивных компонентов СВЧ-диапазона.
Подложки. Характеристики тонких ВТСП-пленок, в частности поверхностное сопротивление, зависят как от метода изготовления пленок, так и от подложки, на которую они нанесены. Так, для создания ИС СВЧ-диапазона требуются подложки достаточно большого диаметра (і2,5 см) со средним значением диэлектрической проницаемости (eі25) и малыми диэлектрическими потерями (tgdЈ10-4). Кроме того, подложка должна быть химически инертной и иметь гладкую поверхность. Все это резко ограничивает выбор подложек для ИС и компонентов на ВТСП.
Сегодня наиболее широко используют LaAlO3 (LaO)-, MgO- и сапфировые (Al2O3)-подложки. Делаются попытки наносить ВТСП-пленки на полупроводниковые (GaAs и Si)-подложки. LaAlO3-подложки благодаря высокой диэлектрической проницаемости (eC23) обладают уникальными возможностями с точки зрения миниатюризации. В свою очередь сапфир привлекает возможностью производства пластин большого диаметра (і7,5 см) с большей химической стабильностью, меньшими диэлектрическими потерями и высокой теплопроводностью. К настоящему времени на LaAlO3- и сапфировых пластинах диаметром 5–7,5 см удалось с обеих сторон вырастить пленки YBa2Cu3O7-x-керамики толщиной до 600 нм, которые обладают низким поверхностным сопротивлением и высокой допустимой рабочей мощностью.
Для согласования параметров кристаллических решеток и коэффициентов теплового расширения, а также предотвращения химического взаимодействия материалов ВТСП-пленки и подложки используют буферные слои. Для сапфировых подложек, часто используемых при производстве СВЧ-приборов, это могут быть La1,8Sr0,2CuOx, MgO, SrTiO2, YSZ (оксид стронция, стабилизированный оксидом иттрия) и CeO2 [4–7].
ИС СВЧ-ДИАПАЗОНА НА ВТСП-ПЛЕНКАХ
Обработка поверхности пленок и формирование рисунка ИС. Технологический процесс изготовления ВТСП-приборов должен обеспечивать не только создание высококачественной сверхпроводящей пленки, но и сохранение ее свойств во время последующей обработки (утонение и полировка подложки, формирование рисунка, нанесение контактных слоев и т.д.). При обработке поверхности ВТСП-пленок сейчас используют методы ионно-лучевого травления (для формирования рисунка межсоединений) и ионной имплантации, или ионной бомбардировки (для повышения критических температуры и плотности тока).
Один из основных технологических процессов изготовления тонкопленочных ИС на ВТСП – формирование рисунка элементов и межсоединений методом сухого травления (ионной бомбардировкой и реактивным ионным травлением, импульсным лазерным распылением) или непосредственно с помощью лазера. Однако этим методам свойственны недостатки – повреждение поверхности пленки и ухудшение ее сверхпроводящих свойств. Альтернативой может служить жидкостное травление с использованием различных травителей, состоящих из водных растворов фосфорной, азотной или соляной кислоты. Хорошие результаты дает комбинация методов сухого и жидкостного травления.
Достаточно сложная технологическая задача – создание контактов с низким сопротивлением к ВТСП-пленкам. Один из методов, обеспечивающих поверхностное сопротивление менее 10-6 Ом/квадрат при температурах ниже критической, – нанесение на YBa2Cu3O7-x-пленку контактных площадок из серебра методом эпитаксии, напыления или просто в виде фольги с последующим вжиганием. В ходе вжигания к таким контактным площадкам присоединяют вывод из золотой проволоки [8,9].
Активные элементы ИС. Для создания ИС, в которых наиболее полно будут использованы высокие характеристики ВТСП-материалов, необходима разработка интегральных активных элементов, в частности транзисторов. На первом этапе разработки ВТСП-материалы, видимо, просто заменят традиционные металлы в затворах полевых транзисторов сантиметрового и миллиметрового диапазонов. В результате соответствующее уменьшение сопротивления затвора увеличит частоту отсечки и снизит коэффициент шума.
Для изготовления тонкопленочных транзисторов используют и полупроводниковые и ВТСП-материалы. Примером может служить SUBSIT-транзистор со сверхпроводниковой базой и полупроводниковой изоляцией, структура которого аналогична биполярному транзистору. Одно из достоинств этого прибора – малое сопротивление базы – увеличивает рабочую частоту до 100 ГГц. Однако характеристики SUBSIT-транзисторов пока далеки от ожидаемых.
Транзистор, полностью выполненный на ВТСП-материале (Tl2Ba2CaCu2Ox-керамика) и получивший название “сверхпроводниковый транзистор с управляемым магнитным потоком” (SFFT), создан специалистами фирмы Sandia (США). Прибор состоит из двух пластин сверхпроводника, соединенных параллельными перемычками длиной около 10 мкм. Необходимое для его нормального функционирования в активном режиме магнитное поле создает управляющая шина. Если подаваемый на прибор ток смещения превышает критическое значение (около 1 мА), в перемычки поступает магнитный поток дискретными порциями. Модулированная плотность магнитного потока модулирует выходное напряжение между двумя пластинами сверхпроводника, что обеспечивает функцию усиления на высоких частотах. На базе SFFT-транзисторов изготовлены СВЧ-усилители с коэффициентом усиления свыше 10 дБ на 4 ГГц и шириной полосы более 1 ГГц, а также смесители с рабочей частотой 36 ГГц и фазовращатели, обеспечивающие сдвиг фаз > 2p при вносимых потерях < 3,5 дБ.
В последние годы разработаны и другие виды трехэлектродных приборов: с использованием переходов Джозефсона, абрикосовских вихрей, инжекций квазичастиц и др. По мнению специалистов, в ближайшем будущем рабочие характеристики этих приборов вряд ли превзойдут соответствующие характеристики полупроводниковых, охлаждаемых до такой же температуры. Тем не менее ВТСП-транзисторы могут занять достойное место при создании ИС наряду с другими активными и пассивными компонентами на ВТСП-материалах [10].
ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА ВТСП-ПЛЕНКАХ
Первым практическим применением ВТСП-материалов, по всей вероятности, будут пассивные приборы СВЧ-диапазона (фильтры, мультиплексоры, линии задержки, резонаторы и т.д.). Поскольку такие компоненты составляют свыше 50% объема бортового аэрокосмического радиоэлектронного оборудования, ВТСП-материалы должны сыграть важную роль в снижении его габаритов и массы. Для более полного использования достоинств высокотемпературной сверхпроводимости при разработке пассивных компонентов необходимо учитывать основные требования к ВТСП-пленкам и параметрам компонентов [11].
Резонаторы – одни из наиболее важных пассивных микроэлектронных компонентов СВЧ-диапазона. Замена металлов, омические потери в которых приводят к ослаблению и дисперсии распространяемого сигнала, на ВТСП-материалы значительно повысит рабочие характеристики резонаторов. Считается, что применение ВТСП-керамических пленок в резонаторах позволит снизить шумовой сигнал в 100 и более раз, а полосу пропускания сжать более чем в 10 раз. Кроме того, на сравнительно низких частотах (десятки мегагерц) габариты ВТСП-резонаторов намного меньше традиционных. Такие резонаторы с прецизионной избирательностью крайне необходимы в радиосвязи, астрономии, медицине и военной технике.
Самой высокой добротностью обладают объемные резонаторы, изготовленные из металлических сверхпроводников. Вскоре после открытия явления высокотемпературной сверхпроводимости делались попытки создания таких резонаторов из спеченной YBa2Cu3O7-x-керамики, однако их характеристики оказались невысокими. Не увенчались пока успехом и попытки изготовления объемных резонаторов с использованием плоских поверхностей, поскольку весьма трудно осуществить стыковочные соединения с малыми потерями между тонкими пленками. Стремление обойти это ограничение привело к созданию цилиндрического резонатора, представляющего собой трубку из стабилизированного цирконием иттрия, которая с обеих сторон покрыта YBa2Cu3O7-x-пленкой. К концам трубки плотно прижаты крышки из того же материала. Добротность такого резонатора на частоте 5,5 ГГц при 77 K составляет около 7Ч105 [2].
Размер объемного резонатора можно значительно уменьшить, если внутри него поместить диэлектрик с высокой диэлектрической постоянной. На рис.3 представлен резонатор, в котором между плоскими круглыми подложками с нанесенными на них тонкими ВТСП-пленками помещена цилиндрическая “шайба” из диэлектрика (например, сапфира). При этом большая часть энергии электромагнитного поля сосредоточивается внутри диэлектрика, и корпус резонатора может быть изготовлен из обычного металла без существенного ущерба для добротности.
С технологической точки зрения гораздо проще изготовить планарный резонатор: на диэлектрическую подложку с обеих сторон нанести ВТСП-пленки, а затем создать нужный топологический рисунок резонатора. Примером может служить микрополосковый резонатор, для изготовления которого на полированную LaAlO3-подложку (e=18,5 при 77 K) при комнатной температуре с помощью эксимерного лазера осаждается тонкая пленка Tl2Ba2Ca3Cu3O7-x-керамики. Топологический рисунок резонатора создается традиционными методами фотолитографии. Нагруженная добротность резонатора изменяется от 7300 на частоте 2,6 ГГц до 6000 на 7,3 ГГц (при 77 K), что, соответственно, в 20 и 10 раз выше, чем для резонатора, изготовленного из серебра.
Планарный резонатор можно изготовить и на копланарных волноводах. При этом ВТСП-пленку наносят только на одну сторону подложки. Так, специалисты фирмы Siemens (Германия) использовали пленку YBa2Cu3O7-x-керамики, нанесенную на монокристаллическую LaAlO3-подложку. На частоте 6,5 ГГц добротность резонатора при 77 K составила 4000, что в 40 раз выше, чем у резонатора аналогичной топологии, изготовленного на тонких медных проводниках.
Однако добротность планарных резонаторов не может превышать 50 000 из-за того, что отношение объема диэлектрика к площади поверхности сверхпроводника мало – обычно 10–3 м по сравнению с 10–2 м для резонаторов с диэлектрической “шайбой” и 10-1 м для объемных резонаторов. Тем не менее они уже применяются для изучения поверхностного импеданса ВТСП-материалов и как составляющая часть многозвенных фильтров [12].
Фильтры. В качестве узкополосного фильтра могут использоваться высокодобротные объемные резонаторы. Однако, как уже отмечалось, создать такие компоненты на ВТСП-материалах пока еще очень сложно. По всей вероятности, широкое применение найдут планарные фильтры на ВТСП-пленках, которые позволят заметно уменьшить габариты радиоэлектронной аппаратуры.
Для полосового фильтра, полностью изготовленного на ВТСП-пленках, вносимые потери, строго говоря, являются функцией поверхностного сопротивления пленки, тангенса угла диэлектрических потерь в подложке и отношения мощности рассеяния в корпусе к запасенной в диэлектрике, которое зависит от конструкции фильтра. Однако в конечном счете вносимые потери определяются числом элементов фильтра и суммарным значением коэффициента передачи, которые задают полосу пропускания. Наибольшие преимущества использование ВТСП-пленок может обеспечить при создании фильтров с крутыми границами частотной характеристики (узкая полоса пропускания, большое число звеньев и высокий коэффициент передачи) [13].
Простейший для проектирования и изготовления тип фильтра представляет собой цепь связанных отрезков линий передачи. Длина каждого отрезка равна половине длины волны. В некоторых случаях с целью уменьшения габаритов линейные элементы фильтра изгибают, придавая им форму прямоугольной спирали. В качестве примера можно привести микрополосковый фильтр для приемной части системы мобильной связи, разработанный фирмой Matsushita Electrical Industrial [14]. Основные требования к фильтру – малые вносимые потери и высокая крутизна частотной характеристики, обеспечивающие очень высокую чувствительность и избирательность. Фильтр состоит из четырех звеньев (рис.4). Он изготовлен на Tl2Ba2CaCu2Ox-пленках толщиной 700 нм, осажденных на обе стороны LaAlO3-подложки (e=24) размером 12х12 мм и толщиной 0,5 мм. Для формирования рисунка использован обычный фотолитографический процесс с последующим ионно-лучевым травлением. ВТСП-пленка на обратной стороне подложки служит для заземления. Частотная характеристика фильтра, приведенная на рис.5, измерена при температуре 77 K. Вносимые потери составили при этой температуре -0,4 дБ, а обратные потери в полосе пропускания – свыше -10 дБ. Отметим, что вносимые потери фильтра такой же конфигурации, в котором вместо ВТСП-пленки используется золото, составили -19 дБ (при 77 K), а его габариты вдвое больше.
Специалисты Калифорнийского технологического института (США) при создании фильтра нижних частот использовали копланарные волноводы. ВТСП-пленка YBa2Cu3O7-x-керамики с помощью лазера наносится на LaAlO3-подложку. Для образования контактов с низким сопротивлением и защиты ВТСП-пленки методом катодного распыления наносится пленка золота. На обратную сторону подложки тем же методом последовательно наносят пленки ниобия (для увеличения адгезии меди), меди и золота. Потери фильтра при 77 K во всей полосе пропускания (0 – 9,5 ГГц) значительно (почти на 1,7 дБ) ниже, чем у аналогичного фильтра, изготовленного на медных проводниках.
Если для фильтров приемных устройств большое значение имеют малые габариты, то одно из основных требований к фильтрам передающих устройств – большая допустимая мощность. По мнению некоторых специалистов [13], при создании компактных планарных фильтров с очень высокой добротностью (>105) и допустимой мощностью і 50 кВт перспективно использование дисковых резонаторов. Эта концепция использовалась американскими, японскими и европейскими учеными, которые разработали фильтры на базе YBa2Cu3O7-x- и Tl2Ba2CaCu2Ox-пленок. На рис.6 видно, какой выигрыш в габаритах и массе можно получить при замене традиционных объемных резонаторов на дисковые с ВТСП-пленками. В планарном фильтре, разработанном фирмой GEC-Marconi (Великобритания), YBa2Cu3O7-x-пленка наносится на MgO-подложку. Полоса пропускания на частоте 8 ГГц составляет 0,3%, а потери при 60 K–1,3 дБ.
При изготовлении фильтров с дисковыми резонаторами на подложку большого диаметра с обеих сторон наносится ВТСП-пленка, причем топологический рисунок устройства связи чаще располагается на плоскости заземления, а на верхней стороне подложки создается рисунок резонаторов (рис.7). Планарный трехзвенный фильтр на дисковых резонаторах, изготовленный на LaAlO3-подложке диаметром 5 см с нанесенными на нее Tl2Ba2CaCu2Ox-пленками, на центральной частоте 10 ГГц при 77 K имеет полосу пропускания 1,3% и допустимую мощность 74 Вт [2].
Для некоторых видов радиоэлектронной аппаратуры часто необходимы блоки согласованных полосовых фильтров, которые перекрывают весь заданный диапазон частот. Одним из примеров может служить мультиплексор в центральной станции мобильной связи. Четырехканальный блок фильтров на микрополосковых линиях включает два гибридных ответвителя и два одинаковых фильтра в каждом канале. Блок с центральной частотой 4 ГГц изготовлен напылением YBa2Cu3O7-x-пленки на LaAlO3-подложку толщиной 5 мм. Максимальная неравномерность характеристики в полосе пропускания составила всего 0,1%, а ширина полосы пропускания каждого элемента – 50 МГц [15].
Более сложный блок ВТСП-фильтров разработан и изготовлен фирмой Superconductor Technologies (США). В его состав входят 32 фильтра и оптоэлектронный переключатель с временем переключения 10 нс. Свое первое применение блок найдет в военных системах. Благодаря ему пилот сможет одновременно использовать приемник РЛС предупреждения и РЛС системы вооружения [16].
Фазовращатели. Эти компоненты находят широкое применение в различных СВЧ-устройствах. Примером фазовращателя дискретного типа, осуществляющего постоянный сдвиг по фазе, может служить компонент, в котором высококачественные ВТСП-пленки YBa2Cu3O7-x-керамики нанесены на LaAlO3-подложки (поверхностное сопротивление пленки на частоте 10 ГГц при 77 K 300 мкОм). Для переключения на разные ветви ответвителя использованы pin-диоды [17].
Гораздо лучше разработан тип фазовращателя с регулируемым фазовым сдвигом. К этому типу, например, относится сегнетоэлектрический фазовращатель, в котором диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика изменяется с помощью электрического поля. В монолитном фазовращателе в качестве сегнетоэлектрика с переменной проницаемостью использован SrTiO3, а для создания проводников – ВТСП-пленка. При 30 K фазовый сдвиг составляет 280. При повышении температуры эффект ослабляется, но при 65 K фазовый сдвиг еще наблюдается и составляет 10 [18].
В магнитоперестраиваемом фазовращателе YBa2Cu3O7-x- микрополосковая линия связана с ферритовым (ЖИГ) сердечником. Меандровая структура, длина и ширина которой, соответственно, равнялись 2,5 и 0,5 см, на частоте 10 ГГц при 77K обеспечивает фазовый сдвиг 7000 [19].
Другой фазовращатель с регулируемым сдвигом включает в себя YBa2Cu3O7-x-линию задержки на LaAlO3-подложке диаметром 5 см. Фазовый сдвиг в данном случае получают с помощью линейного увеличения интенсивности света. Для оптической модуляции используют HeNe -лазер мощностью 10 мВт [20].
Линии задержки. Во многих СВЧ-устройствах необходима задержка распространения электромагнитного сигнала от нескольких пикосекунд до микросекун при его минимальном ослаблении. Поэтому ВТСП-линии задержки предпочтительнее линий на традиционных металлах. В отрезке линии сверхпроводника длиной 1 м ослабление может быть на три порядка ниже, чем в золотом проводнике той же длины и с таким же поперечным сечением. Для получения максимальной задержки в заданном объеме микрополосковые ВТСП-линии можно изготавливать в виде меандра или спирали на тонких диэлектрических подложках, а из них создавать многоярусную структуру. Чтобы предотвратить перекрестные наводки между различными линиями, необходимо формировать поверхность заземления (еще лучше – две, симметрично расположенные по обе стороны от проводников микрополосковой линии). Вообще говоря, линии задержки на ВТСП-материалах обладают более высокими частотами и шириной пропускания, чем традиционные (например, на коаксиальных линиях). Кроме того, при меньших размерах и массе ВТСП-линии задержки имеют меньшие потери и дисперсию.
Фирма Superconductor Technologies изготовила линию задержки (1нс) на Tl2Ba2CaCu2Ox-керамике. ВТСП-пленка наносится на LaAlO3-подложку с помощью эксимерного лазера. Рисунок линии задержки сформирован с помощью фотолитографии и жидкостного травления. Длина и ширина линии задержки составляют 13,9 см и 50 мкм, соответственно. Результаты сопоставления с рабочими характеристиками эквивалентной линии задержки на медной пленке показали, что на частоте 3,29 ГГц при 77 K ВТСП-линия задержки обладает в 10 раз меньшими потерями.
Другая линия задержки для частотного диапазона 20 ГГц изготовлена на YBa2Cu3O7-x-пленках, осажденных на обе стороны LaAlO3-подложки, диаметр и толщина которой составляют 50 мм и 25 мкм, соответственно. Для получения линии длиной около 15 см использована спиральная структура. Вносимые потери линии задержки на частоте 20 ГГц составили 5 дБ при неравномерности частотной характеристики 1 дБ в диапазоне от 0 до 20 ГГц; величина задержки – 22,5 нс [21].
Дипольные антенны – еще один компонент аппаратуры, в котором предполагается использовать ВТСП-материалы. Как известно, если размеры антенны значительно меньше длины волны, активные потери могут намного превысить потери, обусловленные сопротивлением излучения. В результате снизится КПД антенны. Уменьшение потерь в схеме согласования, связывающей активный прибор с антенной, особенно важно для короткодипольных антенн. Заметно уменьшить эти потери и значительно расширить частотный диапазон поможет использование ВТСП-материала с низким поверхностным сопротивлением.
Одна из первых попыток реализации дипольной антенны на ВТСП-материале была предпринята специалистами Бирмингемского университета. Антенна и согласующая схема, изготовленные из YBa2Cu3O7-x-керамической проволоки, размещены на подложке из полимерного материала марки Tufnol. Сравнение рабочих характеристик дипольных антенн из меди и ВТСП-керамики показало, что коэффициент усиления антенны из ВТСП-материала, охлажденной до температуры жидкого азота, превышает усиление медной антенны при комнатной температуре на 12 дБ, а при температуре жидкого азота – на 6 дБ [22].
Миниатюрная антенна, изготовленная напылением тонких пленок YBa2Cu3O7-x-керамики на SrTiO3- и LaAlO3-подложки, на частоте 2 ГГц при 77 K обладает добротностью 800, а ее КПД составляет 0,9 (соответствующее значение для меди – 0,25) [23].
Линии передачи. Основное достоинство ВТСП-проводников для СВЧ- или импульсной техники – способность проводить ток высокой плотности без заметного нагревания. Тонкие ВТСП-пленки позволяют формировать линии передачи различной конфигурации (рис.8). При равенстве остальных параметров наиболее предпочтительна полосковая линия, так как она бездисперсионна, по крайней мере до миллиметровых волн. Однако при ее создании необходимо нанести три проводящих слоя, разделенных диэлектриками. Микрополосковая и копланарная линии обладают дисперсией, зато при их изготовлении ВТСП-пленка осаждается только на одну сторону единственной диэлектрической подложки. Копланарная линия наиболее проста в изготовлении – для нее нужен всего один ВТСП-слой [24].
Итак, с момента открытия высокотемпературной сверхпроводимости минуло немногим более десяти лет. И хотя теория этого явления продолжает разрабатываться, а полное понимание его природы еще впереди, уже достигнут значительный прогресс в изучении свойств ВТСП-материалов и тонких пленок, методах их изготовления, а также создания активных и особенно пассивных приборов СВЧ-диапазона на их основе. Найдут ли высокотемпературные сверхпроводники широкое применение – зависит от того, в каком направлении будут развиваться системы глобальной связи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Physical Review Letters, 1996, v.77, p.928–931.
2. Superconductor Science & Technology, 1997, v.10, p.A120–A144.
3. IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology, 1996, v.44, p.1382–1384.
4. Superconductor Science & Technology, 1997, v.10, p.356–365.
5. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1997, v.7, p.1287–1290.
6. Applied Physics Letters, 1996, v.68, p. 3332–3334.
7. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1996, v.5, p.1575–1580.
8. Superconductor Science & Technology, 1997, v.10, p.106–108.
9. Superconductor Science & Technology, 1995, v.8, p.6–14.
10. Superconductor Science & Technology, 1996, v.9, p.49–67.
11. Superconductor Science & Technology, 1991, v.4, p.386–392.
12. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1993, v.3, p.1102–1109.
13. Superconductor Science & Technology, 1997, v.10, p.867–871.
14. Journal of Superconductivity, 1997, v.10, №1, p.49–51.
15. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1996, v.5, p.2079–2082.
16. Electronic Letters, 1995, v.31, p.985–987.
17. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1991, v.1, p.58 –66.
18. Integrated Ferroelectric, 1994, v.4, p.121–129.
19. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1995, v.5, p.2083–2086.
20. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1993, v.3, p.2899–2903.
21. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1995, v.5, p.2291–2294.
22. IEEE Transactions on Magnetics, 1989, v.25, p.1313, 1314.
23. Superconductor Science & Technology, 1991, v.4, p.436–438.
24. Applied Physics Letters, 1993, v.62, p.1435–1437.
Последние шесть-семь лет большое внимание уделяется разработке интегральных транзисторов, использующих ВТСП-материалы или их комбинации с полупроводниками. Пока ВТСП-транзисторы уступают по характеристикам полупроводниковым приборам. Однако в перспективе они будут играть большую роль в создании ИС, полностью изготовленных на ВТСП-материалах. Сегодня уже созданы первые образцы пассивных СВЧ-компонентов (фильтры, резонаторы, фазовращатели, антенны, линии задержки и др.), рабочие характеристики которых позволяют использовать их в системах мобильной радиосвязи.
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ВТСП-ПЛЕНОК
Широкие перспективы применения сверхпроводников в компонентах СВЧ-диапазона объясняются возможностью получения тонких пленок ВТСП-керамик на монокристаллических подложках. Как правило, к основным параметрам ВТСП-пленок относят удельное сопротивление и магнитную восприимчивость. Однако этих характеристик недостаточно для описания пленок на высоких частотах, так как при увеличении частоты в них быстро возрастают потери. Параметр, непосредственно определяющий высокочастотные свойства ВТСП-пленок, – их поверхностное сопротивление. Хотя природа сверхпроводимости в ВТСП-керамиках на микроскопическом уровне еще не совсем изучена, феноменологическая модель дает хорошее описание основного поведения этих материалов в СВЧ-диапазоне. Их поверхностный импеданс имеет следующий вид:
...
где lL – лондоновская глубина проникновения, ограничивающая область протекания тока сверхпроводимости и электромагнитного поля (важный параметр для всех сверхпроводников); nn – концентрация носителей в сверхпроводнике, испытывающих резистивное рассеяние (как электроны в обычных металлах); m – масса этих носителей; e – заряд электрона; t – время рассеяния квазичастиц; mO – магнитная постоянная; w – круговая частота.
Как видно из выражения, активное поверхностное сопротивление пропорционально квадрату частоты (в обычных металлах оно растет пропорционально квадратному корню из частоты). Однако благодаря тому, что начальное значение поверхностного сопротивления (на постоянном токе) у ВТСП-материалов на несколько порядков ниже, чем у металлов, они сохраняют это преимущество перед металлами до частот 100–200 ГГц. В результате на ВТСП можно создавать очень компактные линии передачи СВЧ-сигналов с значительно более низкими потерями, чем при использовании традиционных методов, а также быстродействующие цифровые ИС с высокими рабочими характеристиками, функциональной сложностью и плотностью упаковки.
Как активная, так и реактивная составляющие поверхностного импеданса играют важную роль при расчете рабочих характеристик фильтров, эталонов частоты и генераторов с низкими фазовыми шумами, создаваемых с использованием ВТСП-резонаторов. Активная составляющая определяет величину добротности резонатора, а реактивная – чувствительность прибора к температурным колебаниям длины волны линии передачи или собственной частоты резонатора и имеет значение для долговременной стабильности.
Наибольшее число исследований посвящено изучению СВЧ-свойств тонких пленок YBa2Cu3O7-x-керамики, методы получения которых уже хорошо отработаны. Измерение поверхностного импеданса в СВЧ-диапазоне – достаточно сложная задача, которую можно решать различными методами (электростатическим, с помощью плоскопараллельных или микрополосковых резонаторов и др.). Однако для этой керамики проведены необходимые измерения, и получена частотная зависимость поверхностного сопротивления объемного материала и тонкой пленки керамики в сравнении с медью и ниобием (рис.1). Важнейшее значение для определения качества ВТСП-пленок имеет температурная зависимость поверхностного импеданса. На рис.2 приведена зависимость поверхностного импеданса высококачественных YBa2Cu3O7-x-пленок от температуры [1,2].
ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ВТСП-ПЛЕНОК
Наибольший интерес вызывают семейства YBa2Cu3O7-x- и Tl2Ba2CaCu2Ox-керамики. Критическая температура (температура перехода в сверхпроводящее состояние – Tкр) у этих материалов находится в диапазоне 80–125 K. Они имеют ряд общих свойств, например слоистую структуру, электропроводящие плоские слои медь–кислород и выраженную анизотропию электрических параметров. Особое внимание разработчиков привлекают купраты на основе таллия, поскольку они имеют более высокую Tкр. Однако пленки этой керамики состоят из многочисленных фаз, что затрудняет получение однофазной пленки. Кроме того, таллий очень летуч, что осложняет создание пленок стехиометрического состава. Как показало изучение свойств таллийсодержащей керамики, ее поверхностное сопротивление при 77 К составляет 0,5 мОм/квадрат на частоте 8 ГГц и около 30 мОм/квадрат на частоте 22 ГГц, что объясняется недостаточно отработанной технологией получения этих пленок. Поэтому основное внимание в статье будет уделено YBa2Cu3O7-x-пленкам и микроэлектронным компонентам на их основе [3].
Для получения тонких пленок ВТСП-керамики могут применяться методы напыления; лазерного и электронно-лучевого испарения; магнетронного распыления; химического осаждения из газовой фазы; прямого и реактивного катодного распыления; молекулярно-лучевой эпитаксии и др. Последние два в настоящее время практически не используют для изготовления ИС и пассивных компонентов на ВТСП.
Напыление. Первым способом, с помощью которого стали получать ВТСП-пленки, было электронно-лучевое напыление. Поскольку ВТСП-материалы плавятся инконгруэнтно, их нельзя получать, пользуясь одним источником. Напыление из многочисленных источников не получило широкого распространения при изготовлении пленок на основе висмута и таллия из-за большого числа металлических компонентов и летучести таллия. Однако при использовании таллийсодержащих купратов хорошо зарекомендовал себя метод последовательного напыления отдельных элементов.
Лазерное испарение широко применяется при нанесении ВТСП-пленок. Его главное достоинство – возможность одинаково хорошо испарять все химические элементы, содержащиеся в мишени. Динамика процесса такова, что состав пленки почти полностью повторяет состав мишени. При правильном подборе температуры и давления происходит послойный рост ВТСП-пленки с необходимой структурной фазой. С помощью этого метода были выращены наиболее совершенные пленки YBa2Cu3O7-x-керамики.
Магнетронное распыление позволяет в одну стадию получать YBa2Cu3O7-x-пленки, по характеристикам не уступающие выращенным методом лазерного испарения и при этом имеющие более однородную толщину и более гладкую поверхность. При магнетронном распылении состав пленок, как правило, соответствует составу мишеней, но при использовании оксидных мишеней для предотвращения дефицита кислорода в растущей пленке в рабочую камеру подают кислород.
Как и при лазерном испарении, в результате образования плазмы возникают возбужденные атомы и ионы, что, в принципе, позволяет выращивать ВТСП-пленки в одну стадию при невысоких температурах. Однако если подложка расположена близко к мишени, а давление среды недостаточно, подложка подвергается интенсивной бомбардировке отрицательными ионами кислорода, которые разрушают структуру растущей пленки. Это основная проблема, которую предстоит решить при использовании метода магнетронного распыления для получения ВТСП-пленок.
Химическое осаждение из газовой фазы. По качеству получаемых пленок этот метод также не уступает лазерному испарению. Он хорошо зарекомендовал себя при получении многокомпонентных полупроводниковых соединений, но вполне пригоден и для нанесения ВТСП-пленок, поскольку многие ВТСП-соединения по структуре ближе к полупроводникам, нежели к традиционным керамикам. К преимуществам метода относят высокую скорость осаждения (до 1мкм/мин) при сохранении высокого качества пленок, а также возможность нанесения пленок на детали сложной конфигурации и большой площади. Последнее особенно важно при производстве ИС и пассивных компонентов СВЧ-диапазона.
Подложки. Характеристики тонких ВТСП-пленок, в частности поверхностное сопротивление, зависят как от метода изготовления пленок, так и от подложки, на которую они нанесены. Так, для создания ИС СВЧ-диапазона требуются подложки достаточно большого диаметра (і2,5 см) со средним значением диэлектрической проницаемости (eі25) и малыми диэлектрическими потерями (tgdЈ10-4). Кроме того, подложка должна быть химически инертной и иметь гладкую поверхность. Все это резко ограничивает выбор подложек для ИС и компонентов на ВТСП.
Сегодня наиболее широко используют LaAlO3 (LaO)-, MgO- и сапфировые (Al2O3)-подложки. Делаются попытки наносить ВТСП-пленки на полупроводниковые (GaAs и Si)-подложки. LaAlO3-подложки благодаря высокой диэлектрической проницаемости (eC23) обладают уникальными возможностями с точки зрения миниатюризации. В свою очередь сапфир привлекает возможностью производства пластин большого диаметра (і7,5 см) с большей химической стабильностью, меньшими диэлектрическими потерями и высокой теплопроводностью. К настоящему времени на LaAlO3- и сапфировых пластинах диаметром 5–7,5 см удалось с обеих сторон вырастить пленки YBa2Cu3O7-x-керамики толщиной до 600 нм, которые обладают низким поверхностным сопротивлением и высокой допустимой рабочей мощностью.
Для согласования параметров кристаллических решеток и коэффициентов теплового расширения, а также предотвращения химического взаимодействия материалов ВТСП-пленки и подложки используют буферные слои. Для сапфировых подложек, часто используемых при производстве СВЧ-приборов, это могут быть La1,8Sr0,2CuOx, MgO, SrTiO2, YSZ (оксид стронция, стабилизированный оксидом иттрия) и CeO2 [4–7].
ИС СВЧ-ДИАПАЗОНА НА ВТСП-ПЛЕНКАХ
Обработка поверхности пленок и формирование рисунка ИС. Технологический процесс изготовления ВТСП-приборов должен обеспечивать не только создание высококачественной сверхпроводящей пленки, но и сохранение ее свойств во время последующей обработки (утонение и полировка подложки, формирование рисунка, нанесение контактных слоев и т.д.). При обработке поверхности ВТСП-пленок сейчас используют методы ионно-лучевого травления (для формирования рисунка межсоединений) и ионной имплантации, или ионной бомбардировки (для повышения критических температуры и плотности тока).
Один из основных технологических процессов изготовления тонкопленочных ИС на ВТСП – формирование рисунка элементов и межсоединений методом сухого травления (ионной бомбардировкой и реактивным ионным травлением, импульсным лазерным распылением) или непосредственно с помощью лазера. Однако этим методам свойственны недостатки – повреждение поверхности пленки и ухудшение ее сверхпроводящих свойств. Альтернативой может служить жидкостное травление с использованием различных травителей, состоящих из водных растворов фосфорной, азотной или соляной кислоты. Хорошие результаты дает комбинация методов сухого и жидкостного травления.
Достаточно сложная технологическая задача – создание контактов с низким сопротивлением к ВТСП-пленкам. Один из методов, обеспечивающих поверхностное сопротивление менее 10-6 Ом/квадрат при температурах ниже критической, – нанесение на YBa2Cu3O7-x-пленку контактных площадок из серебра методом эпитаксии, напыления или просто в виде фольги с последующим вжиганием. В ходе вжигания к таким контактным площадкам присоединяют вывод из золотой проволоки [8,9].
Активные элементы ИС. Для создания ИС, в которых наиболее полно будут использованы высокие характеристики ВТСП-материалов, необходима разработка интегральных активных элементов, в частности транзисторов. На первом этапе разработки ВТСП-материалы, видимо, просто заменят традиционные металлы в затворах полевых транзисторов сантиметрового и миллиметрового диапазонов. В результате соответствующее уменьшение сопротивления затвора увеличит частоту отсечки и снизит коэффициент шума.
Для изготовления тонкопленочных транзисторов используют и полупроводниковые и ВТСП-материалы. Примером может служить SUBSIT-транзистор со сверхпроводниковой базой и полупроводниковой изоляцией, структура которого аналогична биполярному транзистору. Одно из достоинств этого прибора – малое сопротивление базы – увеличивает рабочую частоту до 100 ГГц. Однако характеристики SUBSIT-транзисторов пока далеки от ожидаемых.
Транзистор, полностью выполненный на ВТСП-материале (Tl2Ba2CaCu2Ox-керамика) и получивший название “сверхпроводниковый транзистор с управляемым магнитным потоком” (SFFT), создан специалистами фирмы Sandia (США). Прибор состоит из двух пластин сверхпроводника, соединенных параллельными перемычками длиной около 10 мкм. Необходимое для его нормального функционирования в активном режиме магнитное поле создает управляющая шина. Если подаваемый на прибор ток смещения превышает критическое значение (около 1 мА), в перемычки поступает магнитный поток дискретными порциями. Модулированная плотность магнитного потока модулирует выходное напряжение между двумя пластинами сверхпроводника, что обеспечивает функцию усиления на высоких частотах. На базе SFFT-транзисторов изготовлены СВЧ-усилители с коэффициентом усиления свыше 10 дБ на 4 ГГц и шириной полосы более 1 ГГц, а также смесители с рабочей частотой 36 ГГц и фазовращатели, обеспечивающие сдвиг фаз > 2p при вносимых потерях < 3,5 дБ.
В последние годы разработаны и другие виды трехэлектродных приборов: с использованием переходов Джозефсона, абрикосовских вихрей, инжекций квазичастиц и др. По мнению специалистов, в ближайшем будущем рабочие характеристики этих приборов вряд ли превзойдут соответствующие характеристики полупроводниковых, охлаждаемых до такой же температуры. Тем не менее ВТСП-транзисторы могут занять достойное место при создании ИС наряду с другими активными и пассивными компонентами на ВТСП-материалах [10].
ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА ВТСП-ПЛЕНКАХ
Первым практическим применением ВТСП-материалов, по всей вероятности, будут пассивные приборы СВЧ-диапазона (фильтры, мультиплексоры, линии задержки, резонаторы и т.д.). Поскольку такие компоненты составляют свыше 50% объема бортового аэрокосмического радиоэлектронного оборудования, ВТСП-материалы должны сыграть важную роль в снижении его габаритов и массы. Для более полного использования достоинств высокотемпературной сверхпроводимости при разработке пассивных компонентов необходимо учитывать основные требования к ВТСП-пленкам и параметрам компонентов [11].
Резонаторы – одни из наиболее важных пассивных микроэлектронных компонентов СВЧ-диапазона. Замена металлов, омические потери в которых приводят к ослаблению и дисперсии распространяемого сигнала, на ВТСП-материалы значительно повысит рабочие характеристики резонаторов. Считается, что применение ВТСП-керамических пленок в резонаторах позволит снизить шумовой сигнал в 100 и более раз, а полосу пропускания сжать более чем в 10 раз. Кроме того, на сравнительно низких частотах (десятки мегагерц) габариты ВТСП-резонаторов намного меньше традиционных. Такие резонаторы с прецизионной избирательностью крайне необходимы в радиосвязи, астрономии, медицине и военной технике.
Самой высокой добротностью обладают объемные резонаторы, изготовленные из металлических сверхпроводников. Вскоре после открытия явления высокотемпературной сверхпроводимости делались попытки создания таких резонаторов из спеченной YBa2Cu3O7-x-керамики, однако их характеристики оказались невысокими. Не увенчались пока успехом и попытки изготовления объемных резонаторов с использованием плоских поверхностей, поскольку весьма трудно осуществить стыковочные соединения с малыми потерями между тонкими пленками. Стремление обойти это ограничение привело к созданию цилиндрического резонатора, представляющего собой трубку из стабилизированного цирконием иттрия, которая с обеих сторон покрыта YBa2Cu3O7-x-пленкой. К концам трубки плотно прижаты крышки из того же материала. Добротность такого резонатора на частоте 5,5 ГГц при 77 K составляет около 7Ч105 [2].
Размер объемного резонатора можно значительно уменьшить, если внутри него поместить диэлектрик с высокой диэлектрической постоянной. На рис.3 представлен резонатор, в котором между плоскими круглыми подложками с нанесенными на них тонкими ВТСП-пленками помещена цилиндрическая “шайба” из диэлектрика (например, сапфира). При этом большая часть энергии электромагнитного поля сосредоточивается внутри диэлектрика, и корпус резонатора может быть изготовлен из обычного металла без существенного ущерба для добротности.
С технологической точки зрения гораздо проще изготовить планарный резонатор: на диэлектрическую подложку с обеих сторон нанести ВТСП-пленки, а затем создать нужный топологический рисунок резонатора. Примером может служить микрополосковый резонатор, для изготовления которого на полированную LaAlO3-подложку (e=18,5 при 77 K) при комнатной температуре с помощью эксимерного лазера осаждается тонкая пленка Tl2Ba2Ca3Cu3O7-x-керамики. Топологический рисунок резонатора создается традиционными методами фотолитографии. Нагруженная добротность резонатора изменяется от 7300 на частоте 2,6 ГГц до 6000 на 7,3 ГГц (при 77 K), что, соответственно, в 20 и 10 раз выше, чем для резонатора, изготовленного из серебра.
Планарный резонатор можно изготовить и на копланарных волноводах. При этом ВТСП-пленку наносят только на одну сторону подложки. Так, специалисты фирмы Siemens (Германия) использовали пленку YBa2Cu3O7-x-керамики, нанесенную на монокристаллическую LaAlO3-подложку. На частоте 6,5 ГГц добротность резонатора при 77 K составила 4000, что в 40 раз выше, чем у резонатора аналогичной топологии, изготовленного на тонких медных проводниках.
Однако добротность планарных резонаторов не может превышать 50 000 из-за того, что отношение объема диэлектрика к площади поверхности сверхпроводника мало – обычно 10–3 м по сравнению с 10–2 м для резонаторов с диэлектрической “шайбой” и 10-1 м для объемных резонаторов. Тем не менее они уже применяются для изучения поверхностного импеданса ВТСП-материалов и как составляющая часть многозвенных фильтров [12].
Фильтры. В качестве узкополосного фильтра могут использоваться высокодобротные объемные резонаторы. Однако, как уже отмечалось, создать такие компоненты на ВТСП-материалах пока еще очень сложно. По всей вероятности, широкое применение найдут планарные фильтры на ВТСП-пленках, которые позволят заметно уменьшить габариты радиоэлектронной аппаратуры.
Для полосового фильтра, полностью изготовленного на ВТСП-пленках, вносимые потери, строго говоря, являются функцией поверхностного сопротивления пленки, тангенса угла диэлектрических потерь в подложке и отношения мощности рассеяния в корпусе к запасенной в диэлектрике, которое зависит от конструкции фильтра. Однако в конечном счете вносимые потери определяются числом элементов фильтра и суммарным значением коэффициента передачи, которые задают полосу пропускания. Наибольшие преимущества использование ВТСП-пленок может обеспечить при создании фильтров с крутыми границами частотной характеристики (узкая полоса пропускания, большое число звеньев и высокий коэффициент передачи) [13].
Простейший для проектирования и изготовления тип фильтра представляет собой цепь связанных отрезков линий передачи. Длина каждого отрезка равна половине длины волны. В некоторых случаях с целью уменьшения габаритов линейные элементы фильтра изгибают, придавая им форму прямоугольной спирали. В качестве примера можно привести микрополосковый фильтр для приемной части системы мобильной связи, разработанный фирмой Matsushita Electrical Industrial [14]. Основные требования к фильтру – малые вносимые потери и высокая крутизна частотной характеристики, обеспечивающие очень высокую чувствительность и избирательность. Фильтр состоит из четырех звеньев (рис.4). Он изготовлен на Tl2Ba2CaCu2Ox-пленках толщиной 700 нм, осажденных на обе стороны LaAlO3-подложки (e=24) размером 12х12 мм и толщиной 0,5 мм. Для формирования рисунка использован обычный фотолитографический процесс с последующим ионно-лучевым травлением. ВТСП-пленка на обратной стороне подложки служит для заземления. Частотная характеристика фильтра, приведенная на рис.5, измерена при температуре 77 K. Вносимые потери составили при этой температуре -0,4 дБ, а обратные потери в полосе пропускания – свыше -10 дБ. Отметим, что вносимые потери фильтра такой же конфигурации, в котором вместо ВТСП-пленки используется золото, составили -19 дБ (при 77 K), а его габариты вдвое больше.
Специалисты Калифорнийского технологического института (США) при создании фильтра нижних частот использовали копланарные волноводы. ВТСП-пленка YBa2Cu3O7-x-керамики с помощью лазера наносится на LaAlO3-подложку. Для образования контактов с низким сопротивлением и защиты ВТСП-пленки методом катодного распыления наносится пленка золота. На обратную сторону подложки тем же методом последовательно наносят пленки ниобия (для увеличения адгезии меди), меди и золота. Потери фильтра при 77 K во всей полосе пропускания (0 – 9,5 ГГц) значительно (почти на 1,7 дБ) ниже, чем у аналогичного фильтра, изготовленного на медных проводниках.
Если для фильтров приемных устройств большое значение имеют малые габариты, то одно из основных требований к фильтрам передающих устройств – большая допустимая мощность. По мнению некоторых специалистов [13], при создании компактных планарных фильтров с очень высокой добротностью (>105) и допустимой мощностью і 50 кВт перспективно использование дисковых резонаторов. Эта концепция использовалась американскими, японскими и европейскими учеными, которые разработали фильтры на базе YBa2Cu3O7-x- и Tl2Ba2CaCu2Ox-пленок. На рис.6 видно, какой выигрыш в габаритах и массе можно получить при замене традиционных объемных резонаторов на дисковые с ВТСП-пленками. В планарном фильтре, разработанном фирмой GEC-Marconi (Великобритания), YBa2Cu3O7-x-пленка наносится на MgO-подложку. Полоса пропускания на частоте 8 ГГц составляет 0,3%, а потери при 60 K–1,3 дБ.
При изготовлении фильтров с дисковыми резонаторами на подложку большого диаметра с обеих сторон наносится ВТСП-пленка, причем топологический рисунок устройства связи чаще располагается на плоскости заземления, а на верхней стороне подложки создается рисунок резонаторов (рис.7). Планарный трехзвенный фильтр на дисковых резонаторах, изготовленный на LaAlO3-подложке диаметром 5 см с нанесенными на нее Tl2Ba2CaCu2Ox-пленками, на центральной частоте 10 ГГц при 77 K имеет полосу пропускания 1,3% и допустимую мощность 74 Вт [2].
Для некоторых видов радиоэлектронной аппаратуры часто необходимы блоки согласованных полосовых фильтров, которые перекрывают весь заданный диапазон частот. Одним из примеров может служить мультиплексор в центральной станции мобильной связи. Четырехканальный блок фильтров на микрополосковых линиях включает два гибридных ответвителя и два одинаковых фильтра в каждом канале. Блок с центральной частотой 4 ГГц изготовлен напылением YBa2Cu3O7-x-пленки на LaAlO3-подложку толщиной 5 мм. Максимальная неравномерность характеристики в полосе пропускания составила всего 0,1%, а ширина полосы пропускания каждого элемента – 50 МГц [15].
Более сложный блок ВТСП-фильтров разработан и изготовлен фирмой Superconductor Technologies (США). В его состав входят 32 фильтра и оптоэлектронный переключатель с временем переключения 10 нс. Свое первое применение блок найдет в военных системах. Благодаря ему пилот сможет одновременно использовать приемник РЛС предупреждения и РЛС системы вооружения [16].
Фазовращатели. Эти компоненты находят широкое применение в различных СВЧ-устройствах. Примером фазовращателя дискретного типа, осуществляющего постоянный сдвиг по фазе, может служить компонент, в котором высококачественные ВТСП-пленки YBa2Cu3O7-x-керамики нанесены на LaAlO3-подложки (поверхностное сопротивление пленки на частоте 10 ГГц при 77 K 300 мкОм). Для переключения на разные ветви ответвителя использованы pin-диоды [17].
Гораздо лучше разработан тип фазовращателя с регулируемым фазовым сдвигом. К этому типу, например, относится сегнетоэлектрический фазовращатель, в котором диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика изменяется с помощью электрического поля. В монолитном фазовращателе в качестве сегнетоэлектрика с переменной проницаемостью использован SrTiO3, а для создания проводников – ВТСП-пленка. При 30 K фазовый сдвиг составляет 280. При повышении температуры эффект ослабляется, но при 65 K фазовый сдвиг еще наблюдается и составляет 10 [18].
В магнитоперестраиваемом фазовращателе YBa2Cu3O7-x- микрополосковая линия связана с ферритовым (ЖИГ) сердечником. Меандровая структура, длина и ширина которой, соответственно, равнялись 2,5 и 0,5 см, на частоте 10 ГГц при 77K обеспечивает фазовый сдвиг 7000 [19].
Другой фазовращатель с регулируемым сдвигом включает в себя YBa2Cu3O7-x-линию задержки на LaAlO3-подложке диаметром 5 см. Фазовый сдвиг в данном случае получают с помощью линейного увеличения интенсивности света. Для оптической модуляции используют HeNe -лазер мощностью 10 мВт [20].
Линии задержки. Во многих СВЧ-устройствах необходима задержка распространения электромагнитного сигнала от нескольких пикосекунд до микросекун при его минимальном ослаблении. Поэтому ВТСП-линии задержки предпочтительнее линий на традиционных металлах. В отрезке линии сверхпроводника длиной 1 м ослабление может быть на три порядка ниже, чем в золотом проводнике той же длины и с таким же поперечным сечением. Для получения максимальной задержки в заданном объеме микрополосковые ВТСП-линии можно изготавливать в виде меандра или спирали на тонких диэлектрических подложках, а из них создавать многоярусную структуру. Чтобы предотвратить перекрестные наводки между различными линиями, необходимо формировать поверхность заземления (еще лучше – две, симметрично расположенные по обе стороны от проводников микрополосковой линии). Вообще говоря, линии задержки на ВТСП-материалах обладают более высокими частотами и шириной пропускания, чем традиционные (например, на коаксиальных линиях). Кроме того, при меньших размерах и массе ВТСП-линии задержки имеют меньшие потери и дисперсию.
Фирма Superconductor Technologies изготовила линию задержки (1нс) на Tl2Ba2CaCu2Ox-керамике. ВТСП-пленка наносится на LaAlO3-подложку с помощью эксимерного лазера. Рисунок линии задержки сформирован с помощью фотолитографии и жидкостного травления. Длина и ширина линии задержки составляют 13,9 см и 50 мкм, соответственно. Результаты сопоставления с рабочими характеристиками эквивалентной линии задержки на медной пленке показали, что на частоте 3,29 ГГц при 77 K ВТСП-линия задержки обладает в 10 раз меньшими потерями.
Другая линия задержки для частотного диапазона 20 ГГц изготовлена на YBa2Cu3O7-x-пленках, осажденных на обе стороны LaAlO3-подложки, диаметр и толщина которой составляют 50 мм и 25 мкм, соответственно. Для получения линии длиной около 15 см использована спиральная структура. Вносимые потери линии задержки на частоте 20 ГГц составили 5 дБ при неравномерности частотной характеристики 1 дБ в диапазоне от 0 до 20 ГГц; величина задержки – 22,5 нс [21].
Дипольные антенны – еще один компонент аппаратуры, в котором предполагается использовать ВТСП-материалы. Как известно, если размеры антенны значительно меньше длины волны, активные потери могут намного превысить потери, обусловленные сопротивлением излучения. В результате снизится КПД антенны. Уменьшение потерь в схеме согласования, связывающей активный прибор с антенной, особенно важно для короткодипольных антенн. Заметно уменьшить эти потери и значительно расширить частотный диапазон поможет использование ВТСП-материала с низким поверхностным сопротивлением.
Одна из первых попыток реализации дипольной антенны на ВТСП-материале была предпринята специалистами Бирмингемского университета. Антенна и согласующая схема, изготовленные из YBa2Cu3O7-x-керамической проволоки, размещены на подложке из полимерного материала марки Tufnol. Сравнение рабочих характеристик дипольных антенн из меди и ВТСП-керамики показало, что коэффициент усиления антенны из ВТСП-материала, охлажденной до температуры жидкого азота, превышает усиление медной антенны при комнатной температуре на 12 дБ, а при температуре жидкого азота – на 6 дБ [22].
Миниатюрная антенна, изготовленная напылением тонких пленок YBa2Cu3O7-x-керамики на SrTiO3- и LaAlO3-подложки, на частоте 2 ГГц при 77 K обладает добротностью 800, а ее КПД составляет 0,9 (соответствующее значение для меди – 0,25) [23].
Линии передачи. Основное достоинство ВТСП-проводников для СВЧ- или импульсной техники – способность проводить ток высокой плотности без заметного нагревания. Тонкие ВТСП-пленки позволяют формировать линии передачи различной конфигурации (рис.8). При равенстве остальных параметров наиболее предпочтительна полосковая линия, так как она бездисперсионна, по крайней мере до миллиметровых волн. Однако при ее создании необходимо нанести три проводящих слоя, разделенных диэлектриками. Микрополосковая и копланарная линии обладают дисперсией, зато при их изготовлении ВТСП-пленка осаждается только на одну сторону единственной диэлектрической подложки. Копланарная линия наиболее проста в изготовлении – для нее нужен всего один ВТСП-слой [24].
Итак, с момента открытия высокотемпературной сверхпроводимости минуло немногим более десяти лет. И хотя теория этого явления продолжает разрабатываться, а полное понимание его природы еще впереди, уже достигнут значительный прогресс в изучении свойств ВТСП-материалов и тонких пленок, методах их изготовления, а также создания активных и особенно пассивных приборов СВЧ-диапазона на их основе. Найдут ли высокотемпературные сверхпроводники широкое применение – зависит от того, в каком направлении будут развиваться системы глобальной связи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Physical Review Letters, 1996, v.77, p.928–931.
2. Superconductor Science & Technology, 1997, v.10, p.A120–A144.
3. IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology, 1996, v.44, p.1382–1384.
4. Superconductor Science & Technology, 1997, v.10, p.356–365.
5. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1997, v.7, p.1287–1290.
6. Applied Physics Letters, 1996, v.68, p. 3332–3334.
7. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1996, v.5, p.1575–1580.
8. Superconductor Science & Technology, 1997, v.10, p.106–108.
9. Superconductor Science & Technology, 1995, v.8, p.6–14.
10. Superconductor Science & Technology, 1996, v.9, p.49–67.
11. Superconductor Science & Technology, 1991, v.4, p.386–392.
12. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1993, v.3, p.1102–1109.
13. Superconductor Science & Technology, 1997, v.10, p.867–871.
14. Journal of Superconductivity, 1997, v.10, №1, p.49–51.
15. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1996, v.5, p.2079–2082.
16. Electronic Letters, 1995, v.31, p.985–987.
17. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1991, v.1, p.58 –66.
18. Integrated Ferroelectric, 1994, v.4, p.121–129.
19. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1995, v.5, p.2083–2086.
20. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1993, v.3, p.2899–2903.
21. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1995, v.5, p.2291–2294.
22. IEEE Transactions on Magnetics, 1989, v.25, p.1313, 1314.
23. Superconductor Science & Technology, 1991, v.4, p.436–438.
24. Applied Physics Letters, 1993, v.62, p.1435–1437.
Отзывы читателей
