DD147173A1

DD147173A1 - Schwach supraleitende verbindung geringer kapazitaet und induktivitaet

Info

Publication number: DD147173A1
Application number: DD21663079A
Authority: DD
Inventors: Fritz Dettmann; Peter Weber; Wieland Zahn
Original assignee: Fritz Dettmann; Peter Weber; Wieland Zahn
Priority date: 1979-11-02
Filing date: 1979-11-02
Publication date: 1981-03-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte schwach supraleitende Verbindung aus duennen Schichten mit geringer Kapazitaet und Induktivitaet, wie sie bei ihrer Anwendung in der Rechentechnik, als Strahlungsempfaenger und insbesondere in supraleitenden Quanteninterferometern fuer die Optimierung erforderlich sind. Die schwach supraleitende Verbindung besteht aus einer ersten supraleitenden duennen Schicht, abgedeckt von einer Isolatorschicht, in die mit Hilfe der Lifttechnik oder des Sputteraetzverfahrens eine freie Flaeche geschaffen wird, an deren Rand die supraleitende duenne Schicht und die Isolatorschicht genau uebereinanderliegen. Reinigung und Oxydation des Randes der ersten supraleitenden Schicht und Aufbringen einer zweiten supraleitenden Schicht ergibt einen Kontakt mit einer wirksamen Flaeche, die gleich dem Produkt aus Dicke der ersten supraleitenden Schicht und dem Umfang der freien Flaeche ist.

Description

Titel der Erfindung

Schwach supraleitende Verbindung geringer Kapazität und Induktivität

Anwendungsgebiet der Erfindung . ....

Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte schwach supraleitende Verbindung aus dünnen Schichten mit für eine Vielzahl von Anwendungen günstiger geringer Kapazität und Induktivität und Verfahren zu ihrer Herstellung. Miniaturisierte schwach supraleitende Verbindungen werden unter anderem als schnellste Schalt- und Speicherelemente für die Rechentechnik, in supraleitenden Quanteninterferometern_t die für Messungen höchster Empfindlichkeit von elektrischen und magnetischen Größen verwendet werden, und als Detektoren für Strahlungsempfänger eingesetzt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Bisher sind verschiedene Ausführungsformen für schwach supra-» leitende Verbindungen bekannt geworden* Eine Zusammenstellung der verschiedenen Arten von schwach supraleitenden Verbindungen und ihrer charakteristischen Eigenschaften ist zum Beispiel in "Systeme mit Josephson-Kontakten" Ausgabe Moskauer Universität 1978 (in russisch) von K.K, Licharev und B.T. Ulrich enthalten· ~ .. ..' .

Supraleitende Punktkontaktes die aus einem kompakten Supraleiter mit oder ohne Oxid°°Xsolation und einer die Metalloberfläche berührenden Spitze aus supraleitendem Material bestehen, sind nicht in Dünnschichttechnik herstellbar und deshalb als Ganzes nicht rainiaturisiorbar. Tunnelübergänge, die aus einer Schichtfolge Supraleiter - Isolator - Supra» leiter bzw. Supraleiter·-. Halbleiter .- Supraleiter bestehen,

haben wegen dor geringen Isolator - bzw. Halbleiterdicke und ihrer relativ großen effektiven Fläche große Kapazitäten« Diese durch Verkleinerung der Fläche auf das für die Anwendungen optimale Maß zu verringern« verlangt einerseits die Anwendung der noch nicht ausreichend erarbeiteten Schicht-* technologic bei Abmessungen wesentlich unter 1 ,um und fuhrt andererseits zu einem starken Anstieg der Induktivität des Elementes. Schwach supraleitende Verbindungen der Anordnung Supraleiter - NormalIelter - Supraleiter haben nur sehr geringe Widerstandes so daß die an ihnen beim Fließen des kritischen Stromes auftretenden Spannungen nur mit erheblichen Aufwand nachgewiesen und gemessen werden können« Schwach supraleitende Verbindungen in der Form von DUnßschichtbnicken haben große Induktivitäten und relativ geringe Widerstände. Das gilt sowohl für einfache Einschnürungen einzelner Supraleiterschichten als auch für Brücken» die den ProximityHSffekt ausnutzen und für Brücken mit veränderlicher Dicke« Schwach supraleitende Verbindungen als MikrokurzschlUsse im Schichtsystem Supraleiter - Isolator Supraleiter» die durch elektrischen Durchschlag hergestellt werden, haben relativ große Induktivitäten» sind zeitlich nicht ausreichend stabil und sind nach den bekannten Methoden nur mit sehr geringer Ausbeute herstellbar«

Ziel der Erfindung .'!.. ... . ..

Das Ziel der Erfindung besteht darin» eine miniaturisierte schwach supraleitende Verbindung (Josephson - Verbindung) zu schaffen» die für die Anwendung in supraleitenden Schaltungen und Datenspeichern, in supraleitenden Quanteninterferometern» in Strahlungsempfängern oder für andere Anwendungen geeignete Eigenschaften besitzt und bei deren Herstellung Verfahren angewendet werden können» die nach dem jetzigen Stand der Dünnschichttechnologie beherrschbar sind·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde_s den Aufbau und die Herstellung einer sehwach supraleitende Verbindung anzugeben, deren Kapazität und Induktivität die für die Anwendungen günstigen Werte nicht übersteigt und deren Widerstand und kritischer Josephsonstrom so groß sind» daß die an der sehr/ach supraleitenden Verbindung auftretenden Spannungen ohne besonderen Aufwand gemessen werden können* .

Die Aufgabe wird dadurch gelöst» daß erfiadungsgemäß in einer ersten supraleitenden dünnen Schicht» die sich auf einem geeigneten Trägermaterial befindet und auf die eine Isolierschicht aufgebracht ist» mit Hilfe des Sputterätzverfahrens oder mit Hilfe der Lifttechnik eine freie Fläche geschaffen wird» an deren Hand die erste supraleitende dünne Schicht und die Isolatorschicht genau Ubereinanderliegen, oder an deren Sand die erste supraleitende dünne Schicht noch einen schmalen Streifen ohne Isolierschicht bildet» der aber nur eine Breite hat» die etwa der Dicke der ersten supraleitenden dünnen Schicht entspricht.

In einem nachfolgenden ßeinigungsprozeß in einer Gasglimmentladung, die insbesondere nach Bildung der freien Fläche in Lifttechnik erforderlich ist, wird die Oberfläche des Randes der ersten supraleitenden dünnen Schicht von Verunreinigungen befreit. Auf der Oberfläche des Randes der ersten supraleitenden dünnen Schicht wird durch einen Sauerstoffanteil im Gas der Glimmentladung oder nach der Reinigung in einem.weiteren Herstellungsschritt eine dünne Oxidschicht gebildet. Die schwach supraleitende Verbindung wird komplettiert durch Aufbringen einer zweiten supraleitenden Schichte deren Ausdehnung größer ist als die freie Fläche in der ersten supraleitenden dünnen Schicht. Auf diese Weise ist eine schwach supraleitende Verbindung des Typs Supraleiter - Isolator— Supraleiter entstanden, deren wirksame Fläche durch das Produkt aus der Dicke der ersten supraleitenden dünnen Schicht und dem Umfang der freien Fläche gegeben ist. Die wirksame Flüche der schwach supraleitenden Verbindung ist wesentlich kleiner als die freie Fläche selbst» wodurch eine wesentliche Erniedrigung der Kapazität der schwach supraleitenden Verbindung gegenüber dem Fall erreicht wird, wo die in der Schichtebene strukturierte Fläche mit der wirksamen

Fläche der schwach supraleitenden Verbindung Übereinstimmt. Die Induktivität der schwach supraleitenden Verbindung wird dadurch gering gehalten, daß die beiden nur durch die Isolatorschicht getrennten supraleitenden Schichten das Volumen des sich bei Stromdurchfluß bildenden Magnetfeldes begrenzen und daß die Stromkonzentration nur auf den Umfang der freien Fläche in der ersten supraleitenden dünnen Schicht erfolgt. Der Widerstand der schwach supraleitenden Verbindung wird durch ihre wirksame Fläche sowie durch die Dicke der Oxidschicht auf der Oberfläche des Bandes der ersten supraleitenden Schicht bestimmt und ist durch den Oxydationsvorgang in weiten Grenzen beeinflußbar« so daß ein für den jeweiligen Verwendungszweck Optimaler Widerstand und ein optimaler kritischer Josephsonstrom realisierbar sind·

In einer anderen Anordnung für die schwach supraleitende Verbindung wird erfindungsgemäß nach dem Beinigen des Bandes der freien Fläche in der ersten supraleitenden dünnen Schicht und der Isolatorschicht zunächst eine normalleitende Metallschicht oder Halbleiterschicht aufgebracht) deren Ausdehnung in der Schichtebene größer ist als die freie Fläche« und danach wird die zweite supraleitende Schicht aufgebracht. Auf diese Weise entsteht eine schwach supraleitend Verbindung des Typs Supraleiter - Normalleiter - Supraleiter» die eine sehr geringe wirksame Fläche und deshalb einen relativ hohen Widerstand besitzt* oder des Typs Supraleiter - Halbleiter - Supraleiter mit niedriger Kapazität« die infolge der geringen wirksamen Fläche trotz der hohen Dielektrizitätskonstanten der

Halbleiterschicht zustande kommt« .... -

In einer weiteren Anordnung für die schwach supraleitende Verbindung wird erfindungsgemäß die erste supraleitende dünne Schicht und die darüberliegende Isalatorschicht in Form eines schmalen Leiterstreifens ausgebildet, wobei hier am Rand des Leiterstreifens die erste supraleitende dünne Schicht und die Isolatorschicht genau übereinanderliegen oder die erste supraleitende dünne Schicht auf einer Breite etwa von der Größe ihrer Schichtdicke nicht von der Isolatorschickt bedeckt ist. Die zweite supraleitende Schicht wird ebenfalls in Form eines schmalen Streifens ausgebildet, der den ersten Streifen kreuzt

und so an beiden Rändern die wirksame Fläche der schwach supraleitenden Verbindung bildet oder der nur Über einen Band des ersten Streifens fuhrt und nur hier sich eine wirksame Fläche der schwach supraleitenden Verbindung befindet. Die Anordnung, die die wirksame Fläche an beiden Rändern ausnutet, stellt eine doppelte schwach supraleitende Verbindung dar, deren kritischer Strom durch ein Magnetfeld in Richtung des Streifens der-ersten supraleitenden dünnen Schicht sehr gut steuerbar ist· Die Anordnung,, die nur die wirksam« Fläche aa einem Rand ausnutzt si ist dagegen fitr Magnetfelder in Richtung des Streifens der ersten supraleitenden dünnen Schicht weitgehend unempfindlich» kann aber durch.Magnetfelder mit dazu senkrechter Richtung gesteuert werden·

AusfUhrungsbeispiel -

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig· 1 die Aufsicht auf eine schwach supraleitende Verbindung geringer Kapazität und Induktivität» Fig. 2 den Schnitt A-A nach Fig. 1, Fig. 3 eine andere Anordnung für eine schwach supraleitende

Verbindung, Fig. 4 den Schnitt B-B nach Fig. 3.

In Fig. lund Fig. 2 ist eine schwach supraleitende Verbindung dargestellt, bestehend aus einer ersten supraleitenden dünnen Schicht 1, die sich auf einem geeigneten Trägermaterial 2 befindet, und auf die eine Isolatorschicht 3 aufgebracht ist. In die erste supraleitende dünne Schicht 1 und die Isolatorschicht 3 ist mit Hilfe der Lifttechnik eine freie Fläche 4 geschaffen worden. In einem Reinigungsprozeß in einer Gasglimmontladung wurde die Oberfläche des Randes der ersten supraleitenden dünnen Schicht 1 zur freien Fläche 4 von Verunreinigungen befreit. Durch Einwirken reinen Sauerstoffs und Erhöhen der Temperatur über Zimmertemperatur v/urde auf dieser Oberfläche eine sehr dünne Oxidschicht 7 gebildet· Danach wurde eine zweite supraleitende Schicht 5 aufgebracht, deren Ausdehnung in der Schichtebeae größer als die freie Fläche 4 ist.

Die so entstandene schwach supraleitende Verbindung hat eine wirksame Fläche» die sich aus dem Produkt der Dicke der ersten supraleitenden dünnen Schicht 1 und dem Umfang der freien Flache 4, hier dargestellt durch ein Rechteck, ergibt· Da die Dicke der ersten supraleitenden dünnen Schicht 1 klein ist im Vergleich mit den Abmessungen der freien Fläche 4,ergibt sich eine sehr kleine wirksam© Fläche und damit eine sehr geringe Kapazität für die schwach supraleitende Verbindung. Die elektrischen Zuführungen für die schwach supraleitende Verbindung werden,an die erste supraleitende Schicht 1 und an die zweite supraleitende Schicht 5 angebracht. Bei Stromfluß kann sich so ein Magnetfeld nur zwischen den beiden supraleitenden Schichten ausbilden, wodurch eine geringe Induktivität erreicht wird. Dadurch, daß die freie Fläche 4 wesentlich größer ist als die wirksame Fläche der schwach supraleitenden Verbindung wird trotz der geringen Kapazität eine starke Stromkonzentration vermieden, was ebenfalls zu der geringen Induktivität beiträgt. .

Fig. 3 ^URd Fig. 4 zeigen eine andere Anordnung für die schwach supraleitende Verbindung. Zunächst wird auf dem Trägermaterial 2 mit Hilfe der Lifttechnik ein Streifen der ersten supraleitenden dünnen Schicht 1 bedeckt von der Isolatorschicht 3 so hergestellt, daß die Ränder der Schichten senkrecht übereinander stehen. Die Oberflächen der Bänder der ersten supraleitenden dünnen Schicht 1 werden in einer Gasglimmentladung von Verunreinigungen und Oxiden gereinigt« Über den so vorbereiteten Streifen wird zunächst ein Streifen einer normalleitenden Metallschicht oder eine Halbleiterschicht 6 aufgebracht. Darüber befindet sich ein Streifen der zweiten supraleitenden Schicht 5» der von geringerer Breite ist» als der Streifen der normalleitenden Metallschicht oder der Halbleiterschicht 6« Die schwach supraleitende Verbindung, die so entstanden 1st, besteht aus zwei Kontakten der Typs Supraleiter - Normalleiter - Supraleiter oder Supraleiter - Halb— leiter - Supraleiter mit einer wirksamen Fläche, die jeweils durch das Produkt der Dicke der ersten supraleitenden dünnen Schicht 1 und der Breite des Streifens der zweiten supraleitenden Schicht 5 gegeben ist.

Claims

Erfindungssnspruch

1· Schwach supraleitende Verbindung mit geringer Induktivität und Kapazität sowie mit hohem Widerstand, dadurch gekennzeichnet» daß sich auf einem Träger (2) eine erste dünne supraleitend© Schicht (1) und darüber eine Isolatorschicht (3) befindet» daß diese beiden Schichten eine bis zum Träger (2) reichende Öffnung (40 aufweisen, daß die Innenfläche der Öffnung im Bereich der ersten dünnen supraleitenden Schicht eine Trennschicht tragt und daß auf der Isolatorschicht (3) eine zweite supraleitende Schicht (5) Vorgesehen ist, die sich innerhalb der Öffnung im Kontakt mit der ersten dünnen supraleitenden Schicht (l) und dem Träger (2) befindet.

Schwach supraleitende Verbindung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht aus einer Oxidschicht besteht·

Schwach supraleitende Verbindung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht aus einer norsalleitenden Schicht besteht.

4. Schwach supraleitend© Verbindung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht aus einer Halbleiterschicht besteht.

5» Schwach supraleitende Verbindung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite supraleitende Schicht (5) als Streifen ausgebildet ist, der schmaler als die Öffnung (4l·) ist.
6. Schwach supraleitende Verbindung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste supraleitende dünne Schicht (1) und die darauf befindliche Isolatorschicht (3) einen schmalen Streifen bilden, an dessen Hand die erste supraleitende dünne Schicht (1) und die Isolatorschicht (3) genau übereinanderliegen und daß die zweite supraleitende Schicht (5) einen dazu senkrechten schmalen Streifen bildet, der über mindestens einen Rand des Streifens der ersten supraleitenden dünnen Schicht (1) hinweggeführt ist.