Brevet FR2748859A1 — publié le 19971121

I Etat de la technique. L'invention concerne un résonateur à haute fré- quence, planaire, comportant une microstructure supraconduc- trice sur un support, dont la géométrie définit les caractéristiques de résonance du résonateur en particulier la position et la largeur de la résonance. L'invention concerne également un filtre à haute fréquence planaire réalisé à l'aide d'un tel résonateur et des procédés de fabrication de tels résonateurs et filtres. Selon le document W093/00720, on connaît déjà un résonateur haute fréquence, commutable. Le résonateur connu se compose d'une microstructure, d'un supraconducteur à haute température réalisée sur un support collé sur une plaquette d'arséniure de gallium. Par irradiation, on augmente la con- ductivité de l'arséniure de gallium de plusieurs ordres de grandeur; cela permet ainsi de modifier la fonction diélec- trique efficace de l'environnement du résonateur ce qui modi- fie les propriétés de résonance du résonateur. Lorsque la fréquence propre du résonateur est décalée à l'extérieur du spectre à haute fréquence, incident, ou est fortement atté- nuée, le filtre réalisé avec tel résonateur est couplé. Le document WO/94 28 592 décrit un filtre à bande passante accordable en construction en forme de microbandes. Plusieurs résonateurs réalisés à partir d'un supraconducteur à haute température sont montés avec un conducteur d'entrée et un conducteur de sortie sur un support complexe à couches multiples. Ce support à couches multiples comprend une ma- tière de support et une couche ferroélectrique ou une couche antiferroélectrique ainsi que plusieurs couches tampon. A la couche ferroélectrique ou anti-ferroélectrique, on applique un champ électrique qui modifie la fonction diélectrique de cette couche ferroélectrique ou anti-ferroélectrique; cela modifie également la fonction diélectrique efficace de l'environnement. En modifiant la partie réelle de la fonction diélectrique efficace, on déplace la fréquence propre de tous les résonateurs du filtre, d'une manière sensiblement régu- lière. Un filtre réalisé à l'aide de tels résonateurs peut ainsi être accordé; dans le cas o la plage d'accord est choisie suffisamment large, il peut également être commuté. Un autre procédé de désaccorder des résonateurs est décrit dans le document VDI-Fortschrittsberichten, série 9, page 189, (1994). Dans ce document, on introduit des corps étrangers ayant différentes propriétés diélectriques, par des installations de réglage mécanique, dans l'espace de champ au-dessus du résonateur. En modifiant l'emplacement des corps étrangers dont les propriétés diélectriques sont inchangées, on obtient également une légère modification de la fonction diélectrique efficace de l'environnement du conducteur en forme de ruban. Ces procédés sont fréquemment utilisés pour accorder ou calibrer des éléments de filtre plutôt que pour un réglage dynamique ou une fonction de commutation. Avantages de l'invention. La présente invention concerne un résonateur du type défini ci-dessus, caractérisé par des moyens qui mettent une partie prédéterminée du résonateur à l'état normal de conduction. Ce résonateur offre l'avantage d'être optimisé pour avoir un coefficient de qualité plus élevé, car il peut être commuté sans corps parasites qui augmenteraient les per- tes. Un autre avantage est que sa fabrication soit simple et se réalise par un petit nombre d'étapes de procédé qui sont en outre totalement compatibles avec les procédés de micro- structure classiques. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la microstructure supraconductrice est en cuprate. Il est particulièrement avantageux d'utiliser un Cuprate comme matière supraconductrice, car de telles matiè- res peuvent être influencées d'une manière particulièrement simple pour la température critique par variation de la stoe- chiométrie de l'oxygène. Il est en outre particulièrement avantageux de munir le résonateur de contacts de Josephson au niveau de leurs bords et qui sont perpendiculaires au passage du cou- rant à haute fréquence, car de tels commutateurs sont très largement insensibles aux rayonnements en altitude. Un autre avantage est qu'en montant en série plusieurs contacts de Jo- sephson, alors qu'un contact défectueux n'entraîne aucune conséquence. Cela augmente la fiabilité à l'utilisation et diminue le pourcentage de rebut à la fabrication. Il est particulièrement avantageux de réaliser des contacts de Josephson à l'aide d'un dérangement inten- tionnel inscrit dans le support. Pour de tels contacts de Jo- sephson, il suffit d'une seule étape de procédé supplémentaire. En outre, il est particulièrement avantageux d'appliquer une couche d'isolation électrique et un conduc- teur générant le champ magnétique sur la couche supraconduc- trice car la couche d'isolation sert en même temps de couche de protection pour le supraconducteur. Il est en outre avantageux de réaliser dans la structure du résonateur, des zones ayant des températures critiques différentes car elles permettent d'assurer à la fois l'accord précis du résonateur et aussi sa coupure. De plus, il est particulièrement avantageux de réaliser ces zones à températures critiques différentes dans la structure du résonateur par un désordre cristallographique du film supraconducteur, car ainsi une même microstructure supraconductrice comme matière première permet de réaliser une série de résonateurs différents. Enfin, il est particulièrement avantageux de réa- liser différentes températures critiques dans la microstruc- ture supraconductrice par modification de la teneur en oxygène du film supraconducteur, car ce procédé permet de contrôler exactement les sauts de température dans les diffé- rentes zones et d'avoir en même temps des pertes par haute fréquence, réduites au minimum. L'invention concerne également un filtre réalisé à partir de tels résonateurs. Suivant d'autres caractéristiques, l'invention concerne des procédés pour la réalisation de résonateurs: * sur un support diélectrique, on applique une couche supra- conductrice à laquelle on donne une microstructure et avant d'appliquer la couche supraconductrice, on munit le support de structure linéaire dont on a augmenté le désordre. * sur un support diélectrique, on applique une couche supra- conductrice et on lui donne une microstructure, la couche supraconductrice étant un cuprate et le désordre cristallo- graphique est réalisé par irradiation ionique du film avant ou après la réalisation de la microstructure. * sur un support diélectrique, on applique une couche supra- conductrice et on lui donne une microstructure, la varia- tion de la teneur locale en oxygène étant obtenue par un échauffement local par un rayonnement optique intense sous une atmosphère réductrice. Dessins. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre un filtre passe-bande planaire réalisé en technique à microbande conductrice, formé de cinq réso- nateurs, - la figure 2a est une vue de dessus d'un résonateur à con- tacts de Josephson, - la figure 2b est une vue de côté coupée du dispositif de la figure 2a, - la figure 3 montre une vue de dessus d'un résonateur avec des zones à températures critiques différentes, - la figure 4a est une vue de côté coupée du dispositif de la figure 3 équipé en outre d'un chauffage par résistances, - la figure 4b est une vue de côté coupée du dispositif de la figure 3 avec en outre une microstructure appliquée sur le résonateur pour la mise à l'état isotherme et le chauffage du résonateur, - la figure 4c est une vue de côté coupée de la structure de la figure 3 avec deux microstructures supplémentaires ap- pliquées sur le résonateur pour le refroidissement et le chauffage par effet Peltier, - la figure 5 montre un filtre monté dans un boîtier équipé d'une régulation de température. Description. La figure 1 montre un filtre passe-bande pla- naire. Pour simplifier la présentation, le boîtier est sup- primé. La face inférieure d'un support ou substrat5 diélectrique 20 comporte une couche mince non structurée en une matière supraconductrice à haute température qui joue le rôle de conducteur de masse 30. La face supérieure du subs- trat 20 comporte des microstructures supraconductrices rec- tangulaires disposées en biais l'une à côté de l'autre et10 formant les résonateurs 11. Ces résonateurs 11 seront présen- tés de manière plus détaillée dans les figures suivantes. La face supérieure du substrat 20 comporte à côté des résona- teurs 11 également une entrée 13 à couplage capacitif et une sortie 14 à couplage capacitif pour le supraconducteur à haute température. Pour réaliser une croissance épitaxiale des films supraconducteurs à haute température donnant les microstruc- tures supraconductrices, et pour que les pertes à haute fré- quence soient faibles, il est avantageux d'utiliser un support monocristallin 20. L'épaisseur des films supraconduc- teurs à haute température selon l'état de la technique est limitée à environ 4000 Angstrôm; toutefois, cette épaisseur n'est pas critique pour la présente application. Dans la présente description, l'adjectif " supra- conducteur " est synonyme d'" état supraconducteur " qui cor- respond sans équivoque pour le spécialiste à l'effet de Meissner et se caractérise par la disparition de la résis- tance ohmique. Contrairement à cela, le terme " supracon- ducteur " désigne une matière qui peut devenir supraconduc- trice lorsqu'elle est suffisamment refroidie même lorsqu'elle se trouve à l'état conducteur normal (c'est-à-dire non supra- conducteur). Un signal d'entrée, correspondant à des ondes mi- crométriques ou millimétriques 12, est réfléchi par les réso- nateurs 11 si sa fréquence ne correspond pas à la fréquence de résonance des résonateurs. Au cas contraire, cette fré- quence est transmise, la plus grande partie du développement des ondes avançant dans le support diélectrique 20. La fré- quence de résonance d'un résonateur individuel est définie en premier lieu par ses dimensions latérales et par la fonction effectivement diélectrique du milieu entourant le résonateur. Le signal filtré 15 est disponible à la sortie 24 à couplage capacitif. La figure 2a montre en vue de dessus un résona- teur 11 unique, selon l'invention sur un support diélectrique 20. Les mêmes références qu'à la figure 1 désignent dans cette figure 2 des composants identiques ou de même fonction. Sensiblement perpendiculairement aux arêtes extérieures du résonateur 11, le résonateur a plusieurs contacts de Joseph- son 50; ceux-ci sont représentés sous la forme schématique de traits. Dans l'exemple choisi, chaque contact de Josephson 50 occupe sensiblement le tiers de la longueur du résonateur 11. Dans la zone des contacts de Josephson 50 le résonateur 11 comporte sensiblement parallèlement à ses arêtes extérieures, un conducteur de commande 70 dont les extrémités sont suffi- samment éloignées des résonateurs 11 pour avoir des chemins de contact 80. Entre le résonateur 11 et le conducteur de commande 70, se trouve appliquée une mince couche d'isolation pour le découplage galvanique entre les résonateurs et le conducteur de commande. La ligne en trait interrompu à la fi- gure 2a schématise une ligne de coupe. La figure 2b montre une vue de côté, coupée du résonateur de la figure 2a suivant la ligne de coupe repré- sentée à la figure 2a. Les mêmes références que ci-dessus dé- signent des éléments identiques ou de même fonction. Le substrat 20 porte le résonateur 11 avec des contacts de Jo- sephson 50 sensiblement perpendiculairement à son bord. Sous les contacts de Josephson 50 dans le support, il y a des zo- nes cristallographiques perturbées qui seront appelées ci- après également des zones perturbées, linéaires, 90 à cause de leur forme en vue de dessus. Le conducteur de commande 70 se trouve sur le résonateur 11 en étant séparé de celui-ci par une couche d'isolation 60. Lorsqu'un courant traverse le conducteur de com- mande 70, celui-ci s'entoure d'un champ magnétique explicité par les lignes de champ 100 à la figure 2b. Si le champ ma- gnétique est choisi de manière appropriée, les contacts de Josephson 50 sont bloqués pour les porteurs de charge supra- conducteurs, ce qui réduit les dimensions du résonateur su- praconducteur. Dans le présent exemple, on raccourcit ainsi le résonateur d'un coefficient de l'ordre de trois, si bien que la fréquence propre est multipliée par trois. ce fort désaccord est équivalent à une coupure si la nouvelle fré- quence de résonance se situe en dehors du spectre du signal d'entrée. Des contacts de Josephson de dimensions différentes permettent de cette façon de réaliser un commutateur multiple qui commute entre différentes fréquences de résonance. Un procédé pour réaliser les contacts de Joseph- son indiqués ci-dessus avec des cuprates consiste à réaliser des dérangements linéaires 90 dans le support, par exemple en faisant des traces avec un faisceau ionique focalisé, avant le dépôt de la couche supraconductrice. Le film supraconduc- teur développé sur un tel support présente une paroi mince non conductrice en une matière supraconductrice fortement perturbée et qui fonctionne comme un contact de Josephson. Pour des supraconducteurs ayant une longueur de cohérence im- portante, il faut réaliser des dérangements de grande surface pour obtenir un contact de Josephson. La vue de dessus de la figure 3 donne un autre exemple de réalisation selon lequel un résonateur 11 est sub- divisé en trois zones ayant des températures critiques diffé- rentes. Dans l'exemple de réalisation choisi, le résonateur 11 est du cuprate d'yttrium-baryum. La température critique de 90 K s'élève dans la zone 111; cette température est de K dans la zone 112 et de 80 K dans la zone 113. La figure 4a montre une coupe transversale du ré- sonateur selon la ligne en trait interrompu de la figure 3. Les éléments identiques ou de même fonction portent les mêmes références. La face inférieure du support 20 comporte la cou- che de cuprate d'yttrium-baryum 30 sur laquelle on a réalisé une mince couche d'isolation 200 et une couche conductrice 201. La couche d'isolation 200 doit être compatible avec le supraconducteur; elle peut être par exemple en oxyde de zir- conium. La couche conductrice 201 doit être en un métal non supraconducteur. Sur le support 20 se trouve le résonateur 11 connu selon la figure 3 et ayant les trois zones de tempéra- tures de saut différentes 111, 112, 113. La zone médiane est également appelée zone du noyau et les deux zones extérieures sont désignées par l'expression générale de zones marginales. Un résonateur ayant de telles propriétés peut être réalisé de deux manières. Selon un premier procédé, par tir ionique du film supraconducteur avant et après la réali- sation de la microstructure, on augmente le désordre dans le supraconducteur; il s'agit ici de cuprate d'yttrium-baryum. On peut ainsi réaliser par ce procédé n'importe quelle tempé- rature de saut. Toutefois, des températures de saut très fai- bles sont liées de pertes élevées et ne sont pas souhaitables pour des filtres ayant un coefficient Q élevé. Un second procédé consiste à réduire la matière qui permet de régler également chaque température critique sans augmenter les pertes. Une réduction de la teneur en oxy- gène, limitée dans l'espace peut se réaliser par exemple par un échauffement local à l'aide d'un faisceau laser sous atmo- sphère réductrice (usuellement l'argon ou le vide). Les propriétés de résonance du résonateur de la figure 3 peuvent être commutées selon trois échelons par va- riation de la température. Lorsque le filtre fonctionne à 77 K (température d'ébullition de l'azote), l'ensemble du ré- sonateur travaille. Aux figures 4a-4c, la référence 201 dési- gne un conducteur servant de chauffage par résistance. En appliquant une tension aux bornes du conducteur 201, celui-ci est traversé par un courant qui chauffe le filtre. Pour une température élevée à 89 K, la fréquence de résonance est dou- blée car la longueur du segment semi-conducteur est raccour- cie de moitié. Si la température de base prévue est de 77 K, il suffit d'un chauffage par résistance. Il faut toutefois veiller à ce que les zones 113 et 112 soient normalement con- ductrices avant que le conducteur de masse 30 et la zone de noyau 111 du résonateur 11 deviennent conducteurs. C'est pourquoi, il faut que le support 20 soit suffisamment non conducteur de chaleur ou suffisamment mince. Une autre possibilité de réalisation d'un chauf- fage par résistance est donnée à la figure 4b; dans ce cas, le conducteur 201 est séparé galvaniquement par une mince couche d'isolation 200 prévue sur la face supérieure du réso- nateur. Il serait également possible de munir d'un moyen de chauffage seulement les zones 113, 114 pour réduire la ca- pacité calorifique du filtre et réduire à un niveau faible les pertes à haute fréquence du filtre comme le montre la fi- gure 4c. Dans tous les cas, il faut veiller à ce que la cou- che d'isolation 200 possède une capacité calorifique suffisamment bonne et que la zone de noyau 111 ne devienne pas conductrice avant les zones marginales 113, 112. Une telle mise en température isotherme est obtenue de manière générale grâce à la conductivité thermique de la couche mé- tallique 201. Si la température de fonctionnement de base est supérieure à la température critique la plus basse du compo- sant, il ne suffit pas de chauffer pour régler la température mais il faut prévoir en outre un refroidissement. Cela peut se faire généralement en utilisant l'effet Peltier; dans ce cas le chauffage par résistance des figures évoquées ci- dessus est remplacé uniquement par deux couches métalliques différentes qui se chevauchent Enfin, il est possible de munir le boîtier de ce filtre d'un moyen de chauffage et/ou de refroidissement. Un exemple d'une telle régulation est donné à la figure 5. Un élément de filtre planaire composé d'un résonateur 100, d'une sortie 114 et d'une entrée (non représentée) sur le substrat 20 ainsi que d'un conducteur de masse 30 sont logés dans un boîtier 300 représenté coupé. Pour simplifier la représenta- tion, le boîtier est un simple parallélépipède dont tous les détails de construction ont été supprimés. Les résonateurs sont construits suivant le modèle de la figure 3. Le boîtier comporte un élément à effet Peltier 301 qui peut chauffer et refroidir l'ensemble du filtre et ainsi assurer la coupure et le branchement. D'autres possibilités de régulation de la température sont évidentes pour l'homme du métier. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Résonateur à haute fréquence, planaire, comportant une microstructure supraconductrice sur un support (20), dont la géométrie définit les caractéristiques de résonance du réso- nateur en particulier la position et la largeur de la réso- nance, caractérisé par des moyens (70, 111, 112, 113) qui mettent une partie prédé- terminée du résonateur (11) à l'état normal de conduction. 2 ) Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la microstructure supraconductrice est en cuprate. 3 ) Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que pour la partie mise à l'état de conduction normal, dans la microstructure supraconductrice, on réalise un contact de Jo- sephson au moins sensiblement perpendiculaire à un bord de la microstructure supraconductrice. ) Résonateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le contact de Josephson recouvre une zone locale perturbée de la structure cristalline du support. ) Résonateur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu' il comporte un conducteur électrique séparé du contact de Jo- sephson par une couche d'isolation et un courant passant dans ce conducteur crée un champ magnétique avec une composante parallèle au contact de Josephson. 60) Résonateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ]l la microstructure supraconductrice se compose d'au moins de deux zones ayant des températures critiques différentes et d'un dispositif pour modifier la température du résonateur. 7 ) Résonateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les zones sont réalisées par un désordre cristallographique différent. 8 ) Résonateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les zones sont réalisées par des variations de la stoechiomé- trie, notamment des variations de la teneur locale en oxy- gène. 9 ) Filtre à haute fréquence, planaire, caractérisé en ce qu' il comporte au moins une entrée et au moins une sortie ainsi qu'au moins un résonateur réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. ) Procédé de fabrication d'un résonateur selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que sur un support diélectrique, on applique une couche supracon- ductrice à laquelle on donne une microstructure et avant d'appliquer la couche supraconductrice, on munit le support de structure linéaire dont on a augmenté le désordre. 11 ) Procédé de fabrication d'un résonateur selon la revendi- cation 8, caractérisé en ce que sur un support diélectrique, on applique une couche supracon- ductrice et on lui donne une microstructure, la couche supra- conductrice étant un cuprate et le désordre cristallographi- que est réalisé par irradiation ionique du film avant ou après la réalisation de la microstructure. 12 ) Procédé de fabrication d'un résonateur selon la revendi- cation 8, caractérisé en ce que sur un support diélectrique, on applique une couche supracon- ductrice et on lui donne une microstructure, la variation de la teneur locale en oxygène étant obtenue par un échauffement local par un rayonnement optique intense sous une atmosphère réductrice.