31、高温超导体/半导体混合微波器件与电路

高温超导体/半导体混合微波器件与电路

1. 引言

在过去，传统超导体（如铅和铌）的转变温度较低，这使得超导与低温半导体微波器件和电路领域的研究几乎无人问津。同时，硅和砷化镓等半导体在约 40K 以下的温度时，性能会因载流子冻结和电子陷阱导致的 I - V 崩溃而下降。此前，低温超导技术主要用于与超低噪声放大器耦合的高灵敏度传感器系统，这些系统需要液氦作为制冷剂和特殊的低温冷却器，运行成本高且维护要求严格，因此仅用于特定的专业应用。

直到 1986 年底和 1987 年初，高温超导体（HTS）的发现改变了这一局面。Bednorz 和 Mueller 以及 Wu 等人分别在 La - Ba - Cu - O 和 YBa₂Cu₃O₇ 化合物中观察到 30K 和 90K 的超导现象。此后，其他 HTS 化合物如 Bi₂Sr₂Caₙ₋₁CuₙOₓ、Tl₂Ba₂Caₙ₋₁CuₙOₓ 和 HgBa₂CaCu₂O₆₊ₐ 也被合成出来。

HTS 化合物的出现带来了诸多优势。它使工作温度提高到约 77K，此时可以使用液氮，大大降低了对低温冷却器的要求。因为随着温度接近绝对零度，冷却难度会急剧增加，例如达到 9.5K 所需的能量是 77K 的 10 倍。目前，在 77K 附近实现紧凑可靠的集成低温电子学技术已经存在。

在低损耗微波衬底（如镧铝酸盐、氧化镁和蓝宝石）上沉积 HTS 薄膜的进展显著。这些薄膜的微波表面电阻值比金和铜等传统导体低几个数量级，这使得超导无源微波电路（如谐振器和滤波器）的展示成为可能。在半导体领域，过去十年也观察到了低温下的有趣结果。例如，当温度从室温降至 100K 或更低时，半导体材料的载流子迁移率和薄层电阻会发生有用的变化，特别是基于砷化镓的器件。将基于