DE102012006825A1

DE102012006825A1 - Component of detector, has buffer layers that are arranged between substrate and high temperature superconducting layer, where axle are aligned with specific variation in perpendicular to grain boundary by texturing buffer layer

Info

Publication number: DE102012006825A1
Application number: DE201210006825
Authority: DE
Inventors: Mikhail Faley
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2032-04-05
Also published as: DE102012006825B4

Abstract

The component has a high temperature superconducting layer is that is formed in the surface of a substrate (1.1) with the stepped edge. A grain boundary (1.5) which constitutes the weak link of the Josephson junction, is formed at the stepped edge. The buffer layers (1.2,1.3) are arranged between substrate and superconducting layer. The a-crystal axis and/or b-crystal axis is formed on both sides of the stepped edge, in the plane of the superconductive layer. The axle are aligned with a variation of more than 10[deg] in perpendicular to the grain boundary by texturing buffer layer. An independent claim is included for method for manufacturing component.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement mit einem Josephson-Kontakt sowie ein Verfahren zur Herstellung.The invention relates to an electronic component with a Josephson junction and a method for the production.

Stand der TechnikState of the art

Josephson-Kontakte zwischen hochtemperatursupraleitenden (High-T_c, HTSL) Elektroden sind ein Grundbaustein der supraleitenden Elektronik. Sie werden unter anderem für supraleitende Quanteninterferometer (SQUIDs) zur hochempfindlichen Magnetfeldmessung und in Detektoren für THz-Strahlung eingesetzt.Josephson junctions between high-temperature superconducting (high-T _c , HTSC) electrodes are a basic building block of superconducting electronics. They are used, among others, for superconducting quantum interferometers (SQUIDs) for high-sensitivity magnetic field measurement and in THz radiation detectors.

Die wesentlichen Kenngrößen eines Josephson-Kontakts sind die kritische Stromdichte J_c des supraleitenden Zustandes und der Widerstand R_n im normalleitenden Zustand. Diese Größen und insbesondere ihr Produkt J_c·R_n (bzw. I_c·R_n mit dem kritischen Strom I_c) sind als Gütemaß für die Anwendbarkeit von Josephson-Kontakten zu den genannten Zwecken aus ( E. Mitchell, C. P. Foley, „YBCO step-edge junctions with high IcRn”, Superconductor Science and Technology 23, 065007 (2010), doi:10.1088/0953-2048/23/6/065007 ) bekannt. Diese Schrift offenbart, dass sowohl J_c als auch R_n an der Korngrenze einer YBCO-HTSL-Schicht stark vom Winkel θ zwischen den Kristallorientierungen der beiden Körner im YBa₂Cu₃O_7-x (YBCO) abhängen. Daher wird vorgeschlagen, die Schicht auf einem Substrat aufzuwachsen, dessen Oberfläche eine Stufenkante enthält. Der Josephson-Kontakt entsteht an der oberen Kante einer rutschbahnförmigen Stufe der Substratsoberfläche, indem an der Kante in die Kristallstruktur von YBCO ein scharfer Knick mit einem Winkel von 0 Grad eingebracht wird. Dabei bildet sich im YBCO an der Stufenkante eine Korngrenze, wobei der Winkel θ durch den Knickwinkel der Stufenkante vorgegeben ist. Der Knick bewirkt eine lokale Verspannung und damit ein lokales Sauerstoffdefizit im YBCO an der Korngrenze. Dadurch wirkt der Bereich des Knicks wie eine Tunnel-Kontakt-Barriere zwischen zwei unterschiedlich orientierten D-Wellen-Supraleitern und bildet somit das Weak-Link des Josephson-Kontakts.The essential characteristics of a Josephson junction are the critical current density J _{c of} the superconducting state and the resistance R _n in the normal conducting state. These quantities, and in particular their product J _c · R _n (or I _c · R _n with the critical current I _c ), are a measure of the applicability of Josephson junctions for the stated purposes of ( E. Mitchell, CP Foley, "YBCO step-edge junctions with high-octane", Superconductor Science and Technology 23, 065007 (2010), doi: 10.1088 / 0953-2048 / 23/6/065007 ) known. This document discloses that both J _c and R _n at the grain boundary of a YBCO-HTSC layer depend strongly on the angle θ between the crystal orientations of the two grains in YBa ₂ Cu ₃ O _7-x (YBCO). Therefore, it is proposed to grow the layer on a substrate whose surface contains a step edge. The Josephson junction occurs at the top edge of a slide-like step of the substrate surface by introducing a sharp 0 degree angle kink at the edge into the crystal structure of YBCO. In this case, a grain boundary forms in the YBCO at the step edge, the angle θ being predetermined by the bending angle of the step edge. The kink causes a local strain and thus a local oxygen deficit in the YBCO at the grain boundary. As a result, the region of the bend acts as a tunnel-contact barrier between two differently oriented D-wave superconductors and thus forms the weak link of the Josephson junction.

Einige der auf diese Weise hergestellten Josephson-Kontakte weisen das erhoffte hohe Produkt I_c·R_n tatsächlich auf. Nachteilig genügt die Reproduzierbarkeit bislang nur für den Nachweis der prinzipiellen Machbarkeit (proof-of-concept), nicht jedoch für die großtechnische Fertigung, da sehr viel Ausschuss entsteht.Some of the Josephson junctions produced in this way actually have the high product I _c · R _{n they were} hoping for. The disadvantage of the reproducibility so far only sufficient for the proof of principle feasibility (proof-of-concept), but not for large-scale production, since a lot of committee arises.

Aufgabe und LösungTask and solution

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, Josephson-Kontakte aus Hochtemperatursupraleitern zur Verfügung zu stellen, die ein hohes Produkt I_c·R_n aufweisen und sich zugleich reproduzierbarer herstellen lassen als nach dem bisherigen Stand der Technik.It is therefore an object of the invention to provide Josephson contacts made of high-temperature superconductors available, which have a high product I _c · R _n and can be produced at the same time reproducible than in the prior art.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bauelement mit einem Josephson-Kontakt gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Herstellungsverfahren gemäß Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen. Gegenstand der Erfindung sind weiterhin ein Detektor für THz-Strahlung und ein SQUID, bei denen das erfindungsgemäße Bauelement Verwendung findet.This object is achieved by a device with a Josephson contact according to the main claim and by a manufacturing method according to the independent claim. Further advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims. The invention further relates to a detector for THz radiation and a SQUID, in which the device according to the invention is used.

Gegenstand der ErfindungSubject of the invention

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Bauelement mit einem Josephson-Kontakt entwickelt. Dieses Bauelement umfasst ein Substrat mit mindestens einer Stufenkante in seiner Oberfläche und eine darauf angeordnete Schicht aus einem hochtemperatursupraleitenden Material, wobei diese Schicht an der Stufenkante eine Korngrenze aufweist, die das Weak-Link des Josephson-Kontakts bildet.In the context of the invention, a device having a Josephson junction has been developed. This device comprises a substrate having at least one step edge in its surface and a layer of a high temperature superconducting material disposed thereon, said layer having at the step edge a grain boundary forming the weak link of the Josephson junction.

Unter der Stufenkante wird nicht die Außenkante des Substrats verstanden, an der das Substrat und damit auch die darauf befindliche HTSL-Schicht endet. Eine Stufenkante im Sinne dieser Erfindung ist vielmehr eine Kante, die sich innerhalb des Oberflächenbereichs des Substrats befindet, so dass die auf dem Substrat befindliche HTSL-Schicht sich zu beiden Seiten dieser Stufenkante erstreckt.The step edge does not mean the outer edge of the substrate on which the substrate and thus also the HTSC layer located thereon terminate. Rather, a step edge in the sense of this invention is an edge located within the surface area of the substrate such that the HTSC layer located on the substrate extends to both sides of this step edge.

Erfindungsgemäß ist auf beiden Seiten der Stufenkante die a- und/oder die b-Kristallachse in der Ebene der hochtemperatursupraleitenden Schicht durch eine Texturierung des Substrats und/oder mindestens einer zwischen dem Substrat und der hochtemperatursupraleitenden Schicht angeordneten Pufferschicht bis auf eine Abweichung von höchstens 10° senkrecht auf die Korngrenze ausgerichtet. Dies lässt sich technisch beispielsweise realisieren, indem die HTSL-Schicht graphoepitaktisch auf der texturierten Oberfläche aufgewachsen wird.According to the invention, on both sides of the step edge the a- and / or the b-crystal axis in the plane of the high-temperature superconducting layer by texturing the substrate and / or at least one buffer layer arranged between the substrate and the high-temperature superconducting layer to a deviation of at most 10 ° aligned perpendicular to the grain boundary. This is technically possible for example, by growing the HTSC layer graphoepitaxially on the textured surface.

Unter der Ausrichtung der a- bzw. b-Achse der HTSL-Schicht wird verstanden, dass die Achsen von über 90% der Körner, aus denen die HTSL-Schicht zusammengesetzt ist, ausgerichtet sind. Es gibt in der Regel immer einzelne Körner mit falscher Ausrichtung, aber die spielen dann keine große Rolle mehr für den Stromtransport.The alignment of the a- and b-axes of the HTSC layer is understood to mean that the axes are aligned with over 90% of the grains composing the HTSC layer. As a rule, there are always individual grains with the wrong orientation, but they then no longer play a major role in the transport of electricity.

Unter der Ausrichtung sowohl der a- als auch der b-Achse wird verstanden, dass ein Teil der Körner mit ihrer a-Achse und ein Teil der Körner mit ihrer b-Achse senkrecht zur Stufenkante ausgerichtet ist.The orientation of both the a and b axes is understood to mean that part of the grains are aligned with their a-axis and part of the grains are aligned with their b-axis perpendicular to the step edge.

Es wurde erkannt, dass die supraleitenden Eigenschaften von HTSL-Schichten in der Schichtebene sehr anisotrop sind. Die Wellenfunktion der Cooper-Paare, die den Suprastrom tragen, hat entlang der Kristallachsen a und b in der Schichtebene eine große Amplitude, wobei sie entlang der Kristallachse b eine gegenüber der Kristallachse a um 180° versetzte Phase hat. In der Richtung unter 45° zu den beiden Kristallachsen a und b der HTSL-Schicht ist die Amplitude der Wellenfunktion der Cooper-Paare gleich Null. Ein hoher Suprastrom kann also im Wesentlichen nur entlang der Kristallachsen a und b transportiert werden. Damit der Suprastrom auch über die Stufenkante hinweg transportiert werden kann, ist es notwendig, dass zu beiden Seiten der Stufenkante die Kristallachse a oder b der HTSL-Schicht zur Stufenkante hin ausgerichtet ist. Ist dagegen auf wenigstens einer Seite der Stufenkante die Kristallstruktur im Winkel von 45° zur a- und b-Achse ausgerichtet, fließt kein Suprastrom (I_c = 0) über den Josephson-Kontakt. Außerdem entstehen in diesem Fall die Null-Energie-Zustände, welche den normalleitenden Widerstand R_n (und damit auch der Produkt I_c·R_n) des Josephson-Kontakts drastisch senken.It has been recognized that the superconducting properties of HTSC layers in the layer plane are very anisotropic. The wave function of the Cooper pairs carrying the supercurrent has a large amplitude along the crystal axes a and b in the layer plane, and along the crystal axis b has a phase offset from the crystal axis a by 180 °. In the direction at 45 ° to the two crystal axes a and b of the HTSC layer, the amplitude of the wave function of the Cooper pairs is zero. A high supercurrent can therefore be transported essentially only along the crystal axes a and b. So that the supercurrent can also be transported over the step edge, it is necessary for the crystal axis a or b of the HTSC layer to be aligned with the step edge on both sides of the step edge. If, on the other hand, the crystal structure is oriented at an angle of 45 ° to the a- and b-axis on at least one side of the step edge, no supercurrent (I _c = 0) flows over the Josephson junction. In addition, in this case, the zero-energy states arise, which drastically reduce the normal-conducting resistance R _n (and thus also the product I _c * R _n ) of the Josephson junction.

Indem somit zu beiden Seiten der Stufenkante die a- und/oder b-Kristallachse jeweils senkrecht auf die Stufenkante ausgerichtet ist, kann ein maximaler Suprastrom über die durch die Stufenkante induzierte Korngrenze und damit über den Josephson-Kontakt fließen. Nach dem bisherigen Stand der Technik wurde die In-Plane-Ausrichtung der a- und b-Achse in der Schichtebene nicht kontrolliert, sondern bildete sich zufällig aus. Die hergestellten Schichten enthielten daher auch viele Körner, bei denen die a- und/oder b-Achse einen Winkel von 45° mit der Stufenkante bildete; somit war der Stromtransport durch diese Körner gerade in der interessierenden Richtung minimal.Thus, by aligning the a- and / or b-crystal axes perpendicular to the step edge on both sides of the step edge, a maximum supercurrent can flow over the grain boundary induced by the step edge and thus over the Josephson junction. In the prior art, the in-plane alignment of the a and b axes in the layer plane was not controlled but formed randomly. The layers produced therefore also contained many grains in which the a and / or b axis formed an angle of 45 ° with the step edge; thus the current transport through these grains was minimal, especially in the direction of interest.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der hochtemperatursupraleitenden Schicht und dem Substrat eine antiepitaktische Pufferschicht angeordnet, wobei diese antiepitaktische Pufferschicht entweder amorph ist oder eine nicht zum Substrat und/oder zur hochtemperatursupraleitenden Schicht epitaxiekompatible Kristallstruktur aufweist, so dass die c-Achse der hochtemperatursupraleitenden Schicht sich nach der energetisch günstigsten eigenen Wachstumsrichtung orientiert und damit bis auf eine Abweichung von höchstens 10° senkrecht zu der Schichtebene steht. Dabei folgt die Schichtebene dem Knick in der Substratoberfläche. Für die Antiepitaxie es ist wichtig, dass die Ausrichtung der Schicht nach ihrem eigenen Phasendiagramm, etwa auf Grund des geschichteten Aufbaus von YBCO-Schichten, gegenüber der Ausrichtung entsprechend der Kopplung zum Substrat energetisch bevorzugt ist. Das kann man erreichen mit einer dünnen amorphen Schicht oder mit einer so stark epitaktisch inkompatiblen Schicht, dass auf dem Interface zur HTSL-Schicht sehr viele Verspannungen gebildet sind. Eine dritte Möglichkeit ist eine sehr dünne (etwa 1 nm) antiepitaktische Schicht aus einem Material mit Kristallstruktur-Parametern, die sich stark von den Kristallstruktur-Parametern des Substrats unterscheiden. In diesen Fall wirken beide Kristallstrukturen auf die Ausrichtung der HTSL-Schicht und schwächen dabei ihre Auswirkung auf die HTSL-Schicht gegenseitig ab.In a particularly advantageous embodiment of the invention, an anti-epitaxial buffer layer is arranged between the high-temperature superconducting layer and the substrate, this anti-epitaxial buffer layer being either amorphous or having a non-epitaxial to the substrate and / or the high-temperature superconducting layer crystal structure, so that the c-axis of the high-temperature superconducting Layer oriented to the energetically most favorable own growth direction and thus is up to a maximum deviation of 10 ° perpendicular to the layer plane. The layer plane follows the kink in the substrate surface. For anti-epitaxy, it is important that the orientation of the layer be energetically preferred according to its own phase diagram, for example due to the layered structure of YBCO layers, compared to the orientation corresponding to the coupling to the substrate. This can be achieved with a thin amorphous layer or with a layer that is so highly epitaxially incompatible that a great deal of tension is formed on the interface to the HTSC layer. A third possibility is a very thin (about 1 nm) anti-epitaxial layer of a material with crystal structure parameters that are very different from the crystal structure parameters of the substrate. In this case, both crystal structures act on the orientation of the HTSC layer, weakening their effect on the HTSC layer.

Beispielsweise kann auf einem MgO-Substrat eine erste epitaktische Schicht aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) angeordnet sein, die als Vermittler für die eigentliche antiepitaktische Schicht aus CeO₂ dient. Hierauf kann die supraleitende YBCO-Schicht angeordnet sein.For example, a first epitaxial layer of yttrium-stabilized zirconium oxide (YSZ), which serves as an agent for the actual anti-epitopic layer of CeO ₂ , can be arranged on an MgO substrate. The superconducting YBCO layer can then be arranged thereon.

Eine antiepitaktische Pufferschicht gemäß der Erfindung bewirkt, dass sich die c-Achse der HTSL-Schicht auch dann senkrecht zur Schichtebene orientiert, wenn das Substrat eine zur HTSL-Schicht kompatible Kristallstruktur und Gitterkonstante aufweist. Dadurch ist gewährleistet, dass sich an der Stufenkante grundsätzlich eine Korngrenze in der HTSL-Schicht ausbildet. An der Kante der rutschbahnförmigen Stufe bewirkt der Knick in der Substratoberfläche einen scharfen Knick in der Kristallstruktur der HTSL-Schicht, so dass ein Josephsohn-Kontakt entsteht. Bei epitaktischem, am Substrat orientiertem Wachstum dagegen entsteht bei Stufen-Winkeln θ < 45° keine Korngrenze an der Stufenkante, so dass dort kein Josephson-Kontakt gebildet wird. Mit einer antiepiktaktischen Zwischenschicht ist außerdem sichergestellt, dass sowohl die a- als auch die b-Achse in der Schichtebene liegen und ein Stromtransport durch die Schicht in zwei Dimensionen erleichtert ist. Die Kontrolle über die a- und b-Achse ist mit einer In-Plane-Texturierung möglich.An anti-epitaxial buffer layer according to the invention causes the c-axis of the HTSC layer to be oriented perpendicular to the layer plane even when the substrate has a crystal structure and lattice constant compatible with the HTSC layer. This ensures that at the step edge basically forms a grain boundary in the HTSC layer. At the edge of the slide-like step, the kink in the substrate surface causes a sharp kink in the crystal structure of the HTSC layer, resulting in Josephsohn contact. In epitaxial, substrate-oriented growth, however, arises at step angles θ <45 ° no grain boundary at the step edge, so that there is no Josephson contact is formed. An anti-hypnotic interlayer also ensures that both the a and the b-axis lie in the layer plane and a current transport through the layer in two dimensions is facilitated. Control of the a and b axes is possible with in-plane texturing.

Vorteilhaft weist die antiepitaktische Pufferschicht eine Dicke von 10 nm oder weniger, bevorzugt von 1 nm oder weniger und ganz besonders bevorzugt von 0,5 nm oder weniger auf. Sofern sich die Texturierung im Substrat oder in einer weiteren Schicht zwischen der antiepitaktischen Pufferschicht und dem Substrat befindet, ist durch diese geringe Schichtdicke gewährleistet, dass die Texturierung noch einen maßgeblichen Einfluss auf die Kristallorientierung der HTSL-Schicht in der Schichtebene haben kann.Advantageously, the anti-epitaxial buffer layer has a thickness of 10 nm or less, preferably 1 nm or less and most preferably 0.5 nm or less. If the texturing is located in the substrate or in another layer between the anti-epitaxial buffer layer and the substrate, this small layer thickness ensures that the texturing can still have a significant influence on the crystal orientation of the HTSC layer in the layer plane.

Vorteilhaft liegt jede Gitterkonstante der antiepitaktischen Pufferschicht in der Schichtebene näher an den Gitterkonstanten a und b in der Ebene der hochtemperatursupraleitenden Schicht als an jedem ganzzahligen Vielfachen oder Teiler der Gitterkonstante c dieser Schicht. Dadurch wird vermieden, dass sich die c-Achse der HTSL-Schicht in die Ebene der antiepitaktischen Pufferschicht orientiert.Advantageously, each lattice constant of the anti-epitopic buffer layer in the layer plane is closer to the lattice constants a and b in the plane of the high-temperature superconducting layer than to any integer multiple or divisor of the lattice constant c of that layer. This avoids that the c-axis of the HTSC layer is oriented in the plane of the anti-epitaxial buffer layer.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die antiepitaktische Pufferschicht texturiert. Dann steht diese Texturierung in unmittelbarem Kontakt mit der HTSL-Schicht und wirkt maximal auf deren Kristallausrichtung in der Ebene.In a particularly advantageous embodiment, the anti-epitaxial buffer layer is textured. Then, this texturing is in direct contact with the HTSC layer and acts maximally on their crystal orientation in the plane.

Alternativ oder auch in Kombination hierzu ist in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zwischen dem Substrat und der antiepitaktischen Pufferschicht oder zwischen der antiepitaktischen Pufferschicht und der hochtemperatursupraleitenden Schicht eine weitere texturierte Pufferschicht angeordnet. Dann sind die Funktionen der beiden Pufferschichten voneinander getrennt und können unabhängig voneinander optimiert werden. Damit der Einfluss der texturierten Pufferschicht auf die Kristallorientierung der HTSL-Schicht in der Schichtebene gegenüber dem Einfluss der antiepitaktischen Pufferschicht überwiegt, ist die texturierte Pufferschicht vorteilhaft um mindestens 20%, bevorzugt um mindestens 50% und ganz besonders bevorzugt um mindestens 100% dicker ist als die antiepitaktische Pufferschicht. Vorteilhaft weist sie jedoch gleichzeitig eine Dicke von 10 nm oder weniger, bevorzugt von 1 nm oder weniger und ganz besonders bevorzugt von 0,5 nm oder weniger auf, um den Einfluss der antiepitaktischen Pufferschicht auf die Orientierung der c-Achse nicht völlig in den Hintergrund zu drängen.Alternatively or in combination thereto, in another particularly advantageous embodiment of the invention, a further textured buffer layer is arranged between the substrate and the anti-epitope buffer layer or between the anti-epitaxial buffer layer and the high-temperature superconducting layer. Then the functions of the two buffer layers are separated from each other and can be optimized independently of each other. In order that the influence of the textured buffer layer on the crystal orientation of the HTSC layer in the layer plane outweighs the influence of the anti-epitopic buffer layer, the textured buffer layer is advantageously at least 20%, preferably at least 50% and most preferably at least 100% thicker than the anti-epitaxial buffer layer. However, at the same time, it advantageously has a thickness of 10 nm or less, preferably 1 nm or less and very particularly preferably 0.5 nm or less, so as not to completely ignore the influence of the anti-epitopic buffer layer on the orientation of the c-axis to urge.

Die texturierte Pufferschicht kann auch als alleinige Pufferschicht unmittelbar zwischen dem Substrat und der HTSL-Schicht angeordnet sein, insbesondere dann, wenn die c-Achse der HTSL-Schicht sich auch ohne antiepitaktische Pufferschicht senkrecht zur Schichtebene ausrichtet. Auch in diesem Fall ist sie jedoch vorteilhaft nicht dicker als 10 nm. Bei größeren Dicken wird die scharfe Stufenkante abgerundet, so dass die Tunnelbarriere in der HTSL-Schicht niedriger und dafür breiter wird. Dadurch wirkt sie nicht mehr als Weak-Link eines Josephson-Kontakts.The textured buffer layer can also be arranged as the sole buffer layer directly between the substrate and the HTSC layer, in particular if the c-axis of the HTSC layer also aligns without anti-epitopic buffer layer perpendicular to the layer plane. However, in this case as well, it is advantageously no thicker than 10 nm. For larger thicknesses, the sharp step edge is rounded, so that the tunnel barrier in the HTSC layer is lower and wider. As a result, it no longer acts as a weak link to a Josephson contact.

Bereits die normale Kristallstruktur der Pufferschicht kann als Texturierung ausreichen. Hierfür weist die Pufferschicht in ihrer Ebene vorteilhaft eine Gitterkonstante auf, die zwischen 90% und 100% der Gitterkonstante der HTSL-Schicht entlang der auszurichtenden Achse (a und/oder b) beträgt. Ein Beispiel für eine Pufferschicht, die dieses leistet, ist CeO₂. Es wächst epitaktisch auf Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid YSZ, das wiederum epitaktisch auf MgO wächst. Dadurch richtet sich seine Kristallorientierung in der Schichtebene senkrecht auf die Stufenkante hin aus, und es überträgt diese Orientierung auf die a-Achse von YBCO. Damit die Pufferschicht in dieser Weise ohne zusätzliche Texturierung wirken kann, darf die Gitterkonstante c der HTSL-Schicht kein ganzzahliges Vielfaches der Gitterkonstanten entlang der auszurichtenden Achse (a und/oder b) sein. Ansonsten kann sich statt der a- und/oder b-Achse die c-Achse entlang der Pufferschicht ausrichten.Even the normal crystal structure of the buffer layer can be sufficient as texturing. For this purpose, the buffer layer advantageously has in its plane a lattice constant which is between 90% and 100% of the lattice constant of the HTSC layer along the axis to be aligned (a and / or b). An example of a buffer layer that does this is CeO ₂ . It grows epitaxially on yttrium-stabilized zirconia YSZ, which in turn grows epitaxially on MgO. As a result, its crystal orientation in the layer plane aligns perpendicularly to the step edge, and it translates this orientation to the a-axis of YBCO. So that the buffer layer can act in this way without additional texturing, the lattice constant c of the HTSC layer must not be an integer multiple of the lattice constants along the axis to be aligned (a and / or b). Otherwise, instead of the a and / or b axis, the c axis can align along the buffer layer.

Vorteilhaft umfasst die Texturierung Erhebungen und/oder Vertiefungen mit einer mittleren Höhe bzw. Tiefe zwischen 1 nm und 5 nm. Zu kleine Features der Texturierung wirken nicht mehr reproduzierbar auf die Ausrichtung der HTSL-Schicht in der Ebene. Bei zu groben Features können die a-Achse-orientierten Körner der HTSL-Schicht wachsen.The texturing advantageously comprises elevations and / or depressions with a mean height or depth between 1 nm and 5 nm. Too small features of the texturing no longer have a reproducible effect on the alignment of the HTSC layer in the plane. If features are too coarse, the a-axis oriented grains of the HTSC layer can grow.

Vorteilhaft beträgt der Krümmungsradius des Substrats an der Stufenkante 5 nm oder weniger, bevorzugt 1 nm oder weniger. Dann ist der Knick in der Substratoberfläche an dieser Stelle auch dann noch ein hinreichend starker Anreiz für die HTSL-Schicht, eine Korngrenze und damit das Weak-Link des Josephson-Kontakts auszubilden, wenn zwischen der HTSL-Schicht und dem Substrat eine oder mehrere Pufferschichten angeordnet sind. Der Knick ist idealerweise so scharf, dass sich in der HTSL-Schicht eine linienförmige Grenzfläche zwischen zwei Körnern ausbildet, deren Orientierungen sich in ihren c-Achsen voneinander unterscheiden.Advantageously, the radius of curvature of the substrate at the step edge is 5 nm or less, preferably 1 nm or less. Then the kink in the substrate surface at this point is still a sufficiently strong incentive for the HTSC layer to form a grain boundary and thus the weak link of the Josephson junction, if between the HTSC layer and the substrate one or more buffer layers are arranged. The kink is ideally so sharp that in the HTSC layer a line-shaped interface is formed between two grains whose orientations differ from one another in their c-axes.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung trennt die Stufenkante einen planen Oberflächenbereich von einem gekrümmten Oberflächenbereich. Vorteilhaft beträgt dann der Krümmungsradius des gekrümmten Bereiches 10 nm oder mehr, bevorzugt 100 nm oder mehr und ganz besonders bevorzugt 1 μm oder mehr. Die HTSL-Schicht verläuft dann über die Stufenkante hinweg in Form einer Rutschbahn. Damit ist sichergestellt, dass die HTSL-Schicht durch die Stufenkante nur genau eine Korngrenze und damit genau ein Weak-Link ausbildet. Würde sie zwei oder mehr in Reihe geschaltete Weak-Links ausbilden, wäre das Bauelement nicht als Josephson-Kontakt brauchbar. In a further advantageous embodiment of the invention, the step edge separates a plane surface area from a curved surface area. Advantageously, the radius of curvature of the curved region is 10 nm or more, preferably 100 nm or more and very particularly preferably 1 μm or more. The HTSC layer then runs across the step edge in the form of a slide. This ensures that the HTSC layer forms only one grain boundary and thus exactly one weak link through the step edge. If it formed two or more series-connected weak links, the device would not be useful as a Josephson junction.

Vorteilhaft ist die Oberfläche des Substrats an der Stufenkante um einen Winkel zwischen 20° und 60°, bevorzugt zwischen 35° und 45°, geknickt. Insbesondere ein Knickwinkel von 40° bewirkt einen optimalen Winkel θ zwischen den c-Achsen der beiden Körner der HTSL-Schicht, die an der Korngrenze zusammentreffen.Advantageously, the surface of the substrate at the step edge at an angle between 20 ° and 60 °, preferably between 35 ° and 45 °, kinked. In particular, a bending angle of 40 ° causes an optimum angle θ between the c-axes of the two grains of the HTSC layer, which meet at the grain boundary.

Vorteilhaft ist die Texturierung rechteckig oder linienförmig. Eine linienförmige Texturierung kann an jedem Korn die a- oder b-Achse orientieren, eine rechteckige Texturierung kann an jedem Korn beide Achsen orientieren.Advantageously, the texturing is rectangular or linear. Line-shaped texturing can orient the a- or b-axis on any grain, and rectangular texturing can orient both axes on each grain.

Als Material für die HTSL-Schicht ist jedes Material geeignet, in dem sich die Wellenfunktion der Cooper-Paare wie beschrieben anisotrop ausbreitet und in dem eine Korngrenze eine lokale Barriere für die Ausbreitung dieser Wellenfunktion darstellt. Neben YBCO sind somit auch alle anderen oxidischen Hochtemperatursupraleiter geeignet.As material for the HTSC layer, any material is suitable in which the wave function of the Cooper pairs propagates anisotropically as described and in which a grain boundary represents a local barrier to the propagation of this wave function. In addition to YBCO, all other high-temperature oxide superconductors are therefore suitable.

Bei gegebener kritischer Stromdichte J_c einer HTSL-Schicht mit einer gegebenen Dicke ergibt sich der kritische Strom I_c, der durch eine laterale Struktur mit einer bestimmten Breite fließen kann, zu I_c = J_c·Breite·Dicke. In einem Bauelement mit definiertem I_c ist daher die HTSL-Schicht lateral strukturiert, beispielsweise in Form einer Brücke mit definierter Breite, die über die Stufenkante hinweg verläuft. Mit einer derartigen Brücke lässt sich ein Detektor für THz-Strahlung oder ein RF-SQUID realisieren, mit zwei Brücken auch ein DC-SQUID. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf einen Detektor für THz-Strahlung sowie auf ein SQUID mit dem erfindungsgemäßen Bauelement. Das SQUID lässt sich mit einem Flusstransformator, beispielsweise im Sinne der deutschen Patentanmeldung 10 2009 025 716.0 , zu einem hochempfindlichen Magnetometer und/oder Gradiometer erweitern.For a given critical current density J _{c of} a HTSC layer of a given thickness, the critical current I _c , which can flow through a lateral structure of a given width, results in I _c = J _c · width · thickness. In a device with defined I _c , therefore, the HTSC layer is laterally structured, for example in the form of a bridge with a defined width, which extends over the step edge. With such a bridge a detector for THz radiation or an RF-SQUID can be realized, with two bridges also a DC-SQUID. The invention therefore also relates to a detector for THz radiation and to a SQUID with the component according to the invention. The SQUID can be used with a flux transformer, for example in the sense of German patent application 10 2009 025 716.0 , expand to a highly sensitive magnetometer and / or gradiometer.

Das hier beschriebene Grundprinzip, an der Stufenkante eine Korngrenze zu erzeugen und zu beiden Seiten der Stufenkante die Kristallorientierung der Schicht in Relation zu dieser Korngrenze auszurichten, kann ganz allgemein angewendet werden. Beispielsweise können ferromagnetische, ferroelektrische und multiferroische Eigenschaften der Tunnelbarriere zwischen kristallinen oxidischen Schichten für neuartige elektronische Bauelemente nutzbar gemacht werden.The basic principle described here, to produce a grain boundary at the step edge and to align the crystal orientation of the layer in relation to this grain boundary on both sides of the step edge, can be used quite generally. For example, ferromagnetic, ferroelectric and multiferroic properties of the tunnel barrier between crystalline oxide layers can be harnessed for novel electronic devices.

Im Rahmen der Erfindung wurde auch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements mit einem Josephson-Kontakt aus einem Substrat mit mindestens einer Stufenkante in seiner Oberfläche entwickelt. Dabei wird eine hochtemperatursupraleitende Schicht auf die Oberfläche aufgebracht, so dass sie sich zu beiden Seiten der Stufenkante erstreckt. Dieses Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung erfindungsgemäßer Bauelemente. Die für das erfindungsgemäße Bauelement gegebene Offenbarung gilt daher mutatis mutandis ausdrücklich auch für dieses Verfahren.Within the scope of the invention, a method for producing a component with a Josephson contact from a substrate having at least one step edge in its surface has also been developed. In this case, a high-temperature superconducting layer is applied to the surface so that it extends on both sides of the step edge. This method is particularly suitable for the production of components according to the invention. The disclosure given for the component according to the invention therefore applies mutatis mutandis expressly for this method.

Erfindungsgemäß wird das Substrat texturiert, und/oder es wird eine texturierte Pufferschicht auf das Substrat aufgebracht. Anschließend wird die hochtemperatursupraleitende Schicht im Wege der Graphoepitaxie aufgebracht, so dass sie an der Stufenkante eine Korngrenze ausbildet und ihre a- und/oder b-Achse durch die Texturierung bis auf eine Abweichung von höchstens 10° senkrecht auf die Korngrenze ausgerichtet wird.According to the invention, the substrate is textured, and / or a textured buffer layer is applied to the substrate. Subsequently, the high-temperature superconducting layer is applied by way of graphite epitaxy, so that it forms a grain boundary at the step edge and their a- and / or b-axis is aligned by the texturing to a deviation of at most 10 ° perpendicular to the grain boundary.

Es wurde erkannt, dass gerade durch die Graphoepitaxie ein Schichtwachstum erzielt werden kann, bei dem die a- und/oder b-Achse homogen senkrecht auf die Korngrenze ausgerichtet ist. Die Graphoepitaxie beginnt damit, dass sich zunächst Inseln, deren Orientierung oft unabhängig von der Kristallstruktur des Substrats ist, auf Kanten und Ecken der Texturierung bilden. Die Texturierung bewirkt so, dass diese Inseln unabhängig davon, wo sie sich in welcher Reihenfolge bilden, einheitlich orientiert werden. Wenn die Inseln zu einer Schicht vervollständigt werden, bildet sich aus der Nahordnung der einzelnen Inseln eine Fernordnung der Schicht. Diese kollektive Fernordnung erfasst auch anfänglich falsch oder gar nicht orientiert aufgewachsene Inseln.It was recognized that it is precisely through the graphoepitaxy that a layer growth can be achieved in which the a and / or b axis is oriented homogeneously perpendicular to the grain boundary. Graphite epitaxy begins with the formation of islands, the orientation of which is often independent of the crystal structure of the substrate, on edges and corners of the texturing. The texturing thus causes these islands to be uniformly oriented no matter where they form in which order. When the islands are completed to a single layer, the distance order of the individual islands forms a distant order of the layer. This collective long-range order also initially captures islands that have grown incorrectly or not at all.

Beim Wachstum von YBCO und anderen oxidischen Hochtemperatursupraleitern (HTSL) mit geschichteter Kristallstruktur begünstigen die Wachstumskinetik und die energetischen Verhältnisse an der Oberfläche die Bildung von Inseln (Plättchen) mit (100), (010) und (001) orientierten Oberflächen. Die [100]- und [010]-Achsen dieser Inseln richten sich an Kanten, Erhebungen oder Vertiefungen der Oberfläche, auf die der HTSL aufgebracht wird, aus. Wird eine Texturierung mit senkrecht auf die Stufenkante orientierten derartigen Features in das Substrat oder in eine zwischen Substrat und HTSL aufgebrachte Pufferschicht eingebracht, können zunächst die Inseln und später die a- und/oder b-Achse der ganzen Schicht auf die Stufenkante und damit auf die Korngrenze hin orientiert werden.In the growth of YBCO and other layered crystal structure high-temperature oxide superconductors (HTSCs), growth kinetics and surface energetic states favor the formation of islands (platelets) with (100), (010) and (001) oriented surfaces. The [100] and [010] - Axes of these islands align with edges, protrusions or depressions of the surface to which the HTSL is applied. If a texturing with such features oriented perpendicular to the step edge is introduced into the substrate or into a buffer layer applied between the substrate and HTSL, first the islands and later the a and / or b axis of the entire layer can be applied to the step edge and thus to the Grain boundary are oriented.

Beispielsweise kann YBCO auf MgO oder YSZ aufgebracht werden. Die Gitterfehlanpassung von YBCO zu MgO bzw. YSZ beträgt 9% bzw. 4%. Je größer die Gitterfehlanpassung ist, desto größer wird die Oberflächenenergie der aufwachsenden HTSL-Schicht. Dadurch steigt auch die potentielle Energie, die diejenigen Oberflächenkonfigurationen, die nicht dem energetischen Minimum entsprechen, gegenüber diesem Minimum haben. Diese potentielle Energie wiederum ist eine treibende Kraft für die Umorientierung. Somit wird es bei größerer Gitterfehlanpassung schwieriger, einkristallines Wachstum zu erzielen, aber es wird einfacher, mittels Graphoepitaxie aufzuwachsen.For example, YBCO can be applied to MgO or YSZ. The lattice mismatch of YBCO to MgO and YSZ is 9% and 4%, respectively. The larger the lattice mismatch, the greater the surface energy of the growing HTSC layer becomes. This also increases the potential energy that those surface configurations that do not meet the energetic minimum have against this minimum. This potential energy in turn is a driving force for reorientation. Thus, with larger lattice mismatch, it becomes more difficult to achieve monocrystalline growth, but it becomes easier to grow by graphoepitaxy.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Orientierung der c-Achse der hochtemperatursupraleitenden Schicht von der Orientierung des Substrats entkoppelt, indem vor dem Aufbringen der hochtemperatursupraleitenden Schicht eine antiepitaktische Pufferschicht aufgebracht wird, die entweder amorph ist oder eine nicht zum Substrat und/oder zur hochtemperatursupraleitenden Schicht epitaxiekompatible Kristallstruktur aufweist. Dabei kann die antiepitaktische Pufferschicht selbst texturiert werden. Sie kann aber auch zwischen Substrat und texturierter Pufferschicht oder zwischen texturierter Pufferschicht und HTSL-Schicht aufgebracht werden. Wird die c-Achse der HTSL-Schicht von der Orientierung des Substrats entkoppelt, richtet sich ihre Orientierung allein nach den energetischen Verhältnissen der HTSL-Schicht selbst. Dementsprechend ist eine Orientierung der c-Achse senkrecht zur Schichtebene bevorzugt.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the orientation of the c-axis of the high-temperature superconducting layer is decoupled from the orientation of the substrate by applying an anti-epitopic buffer layer before application of the high-temperature superconducting layer, which is either amorphous or non-substrate and / or having high-temperature superconducting layer epitaxy-compatible crystal structure. In this case, the anti-epitaxial buffer layer itself can be textured. However, it can also be applied between the substrate and the textured buffer layer or between the textured buffer layer and the HTSC layer. If the c-axis of the HTSC layer is decoupled from the orientation of the substrate, its orientation depends solely on the energetic ratios of the HTSC layer itself. Accordingly, orientation of the c-axis perpendicular to the layer plane is preferred.

Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:The subject matter of the invention will be explained below with reference to figures, without the subject matter of the invention being limited thereby. It is shown:

1: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit zwei Pufferschichten. 1 Embodiment of the device according to the invention with two buffer layers.

2: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit nur einer Pufferschicht. 2 Embodiment of the device according to the invention with only one buffer layer.

3: AFM-Aufnahme eines texturierten Substrats. 3 : AFM image of a textured substrate.

4: AFM-Aufnahme einer YBCO-Schicht auf einer antiepitaktischen Pufferschicht aus MgCO₃, die wiederum auf ein texturiertes MgO-Substrat aufgebracht wurde. 4 : AFM image of a YBCO layer on an anti-epitaxial buffer layer of MgCO ₃ , which in turn was applied to a textured MgO substrate.

5: Elektronenmikroskopische Aufnahme einer YBCO-Schicht, die auf einer zu dicken antiepitaktischen Pufferschicht aufgewachsen wurde. 5 : Electron micrograph of a YBCO layer grown on a too thick anti-epitaxial buffer layer.

6: Elektronenmikroskopische Aufnahme einer YBCO-Schicht, die auf einer gegenüber 6 : Electron micrograph of a YBCO layer on one opposite

5 dünneren antiepitaktischen Pufferschicht aufgewachsen wurde. 5 grew thinner anti-epitaxial buffer layer.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements. Auf dem Substrat 1.1 aus MgO mit einer durch Innenstrahl-Ätzung gereinigten Oberfläche befindet sich eine texturierte, etwa 10 nm dicke, homoepitaktische MgO Pufferschicht 1.2. Durch die Reinigung des Substrats wurde eine amorphe Schicht von dessen Oberfläche entfernt; dies ermöglicht das homoepitaktische Wachstum. Durch die raue Inselstruktur der Pufferschicht 1.2 ist automatisch eine Texturierung vorgegeben. Auf der homoepitaktischen Pufferschicht 1.2 befindet sich eine etwa 0,5 nm dicke antiepitaktische Pufferschicht 1.3 aus MgCO₃. Diese entkoppelt die Orientierung der c-Achse der darauf aufgebrachten etwa 150 nm dicken YBCO-Schicht 1.4 vom Einfluss des Substrats 1.1. Die c-Achse ist daher überall senkrecht auf der Oberfläche der YBCO-Schicht 1.4. Zugleich sind die a- und b-Achsen an der rechteckigen Insel-Struktur (Texturierung) der homoepitaktischen MgO Schicht orientiert. Die amorphe MgCO₃-Pufferschicht kann mit unterschiedlichen Depositionsmethoden hergestellt werden. Beispielsweise kann das MgCO₃ mit einer kurzen chemischen Reaktion des MgO in einem CO₂-Plasma oder in organischen Flüssigkeiten wie, zum Beispiel, Aceton gebildet werden. Es kann aber auch natürlicherweise durch eine Exposition der MgO-Oberfläche an Luft aufwachsen. An Steile von MgCO₃ kann auch eine 0,5 nm bis 1 nm dicke CeO₂-Schicht als antiepitaktische Pufferschicht verwendet werden. 1 shows an embodiment of the device according to the invention. On the substrate 1.1 of MgO with a surface cleaned by internal jet etching is a textured, about 10 nm thick, homoepitaxial MgO buffer layer 1.2 , By cleaning the substrate, an amorphous layer was removed from the surface thereof; this allows homoepitaxial growth. Due to the rough island structure of the buffer layer 1.2 is automatically given a texturing. On the homoepitaxial buffer layer 1.2 There is an approximately 0.5 nm thick anti-epitopic buffer layer 1.3 from MgCO ₃ . This decouples the orientation of the c-axis of the applied about 150 nm thick YBCO layer 1.4 from the influence of the substrate 1.1 , The c-axis is therefore everywhere perpendicular to the surface of the YBCO layer 1.4 , At the same time, the a and b axes are oriented on the rectangular island structure (texturing) of the homoepitaxial MgO layer. The amorphous MgCO ₃ buffer layer can be prepared by different deposition methods. For example, the MgCO ₃ can be formed with a short chemical reaction of the MgO in a CO ₂ plasma or in organic liquids such as, for example, acetone. However, it can also grow naturally by exposure of the MgO surface to air. At the location of MgCO ₃ , a 0.5 nm to 1 nm thick CeO ₂ layer can also be used as an anti-epitaxial buffer layer.

Das Substrat 1.1 weist eine scharfe Stufenkante auf. Diese veranlasst die YBCO-Schicht 1.4, eine Korngrenze 1.5 auszubilden. Diese bildet das Weak-Link für den Josephson-Kontakt. Die Stufenkante trennt einen planen Oberflächenbereich des Substrats 1.1 von einem gekrümmt verlaufenden Bereich, der wiederum stetig in einen weiteren planen Bereich übergeht. Dabei ist der Krümmungsradius jeweils hinreichend weit, so dass die YBCO-Schicht 1.4 keine weitere Korngrenze ausbildet. The substrate 1.1 has a sharp step edge. This causes the YBCO layer 1.4 , a grain boundary 1.5 train. This forms the Weak link for the Josephson contact. The step edge separates a flat surface area of the substrate 1.1 from a curved area, which in turn steadily merges into another plane area. In each case, the radius of curvature is sufficiently wide, so that the YBCO layer 1.4 no further grain boundary is formed.

Die Texturierung der Pufferschicht 1.2 hat eine Vorzugsrichtung senkrecht zur Stufenkante des Substrats 1.1. Dementsprechend ist die a- und/oder b-Achsen der YBCO-Schicht 1.4 zu beiden Seiten der Stufenkante jeweils senkrecht zur Korngrenze 1.5 orientiert. Damit kann ein maximaler Suprastrom I_c mit maximalen Widerstand R_n im normalleitenden Zustand durch die Korngrenze 1.5 transportiert werden.The texturing of the buffer layer 1.2 has a preferred direction perpendicular to the step edge of the substrate 1.1 , Accordingly, the a and / or b axes of the YBCO layer 1.4 on each side of the step edge perpendicular to the grain boundary 1.5 oriented. Thus, a maximum supercurrent I _c with maximum resistance R _n in the normal conducting state through the grain boundary 1.5 be transported.

Die laterale Strukturierung der YBCO-Schicht 1.4 in der Schichtebene, die aus der Schicht das konkrete Bauelement formt, ist in 1 nicht eingezeichnet.The lateral structuring of the YBCO layer 1.4 in the layer plane, which forms the concrete component from the layer, is in 1 not shown.

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements. Auf dem Substrat 2.1 ist eine antiepitaktische Schicht 2.2 aufgebracht, die gleichzeitig texturiert ist. Sie entkoppelt somit die Orientierung der c-Achse der darauf aufgebrachten YBCO-Schicht 2.3 vom Einfluss des Substrats 2.1, während ihre Texturierung zugleich die a-Achse der YBCO-Schicht 2.3 in Richtung der Korngrenze 2.4 orientiert. Ursache für die Korngrenze 2.4 ist die Stufenkante im Substrat 2.1. Die laterale Strukturierung der YBCO-Schicht 2.3 in der Schichtebene, die aus der Schicht das konkrete Bauelement formt, ist in 2 nicht eingezeichnet. 2 shows a further embodiment of the device according to the invention. On the substrate 2.1 is an anti-epitopic layer 2.2 applied, which is textured at the same time. It thus decouples the orientation of the c-axis of the YBCO layer applied thereon 2.3 from the influence of the substrate 2.1 while at the same time their texturing the a-axis of the YBCO layer 2.3 in the direction of the grain boundary 2.4 oriented. Cause of the grain boundary 2.4 is the step edge in the substrate 2.1 , The lateral structuring of the YBCO layer 2.3 in the layer plane, which forms the concrete component from the layer, is in 2 not shown.

3 zeigt eine AFM-Aufnahme eines texturierten Substrats. Teilbild a ist die topographische Aufnahme, Teilbild b zeigt das das Phasensignal, in dem topographische Features nicht höhentreu, aber dafür verdeutlicht hervortreten. Teilbild c ist ein Linescan, der in unmittelbarer Nähe zur Stufenkante aus der topographischen Aufnahme entnommen wurde. 3 shows an AFM shot of a textured substrate. Partial image a is the topographical image, partial image b shows the phase signal, in which topographical features are not faithful but clearly illustrated. Partial image c is a line scan taken from the topographical image in the immediate vicinity of the step edge.

Im Linescan in Bild 3c sind vier Punkte 1 bis 4 markiert. Die folgende Tabelle gibt oberhalb der Diagonalen die laterale Entfernung von einem Punkt zu den anderen Punkten und unterhalb der Diagonalen den Höhenunterschied von einem Punkt zu den anderen Punkten an:

In the line scan in picture 3c four points 1 to 4 are marked. The following table gives the lateral distance from one point to the other points above the diagonal and below the diagonal the difference in height from one point to the other points:

4 zeigt eine AFM-Aufnahme einer YBCO-Schicht, die auf einer antiepitaktischen Pufferschicht aus MgCO₃ aufgewachsen wurde, welche wiederum auf einem texturierten MgO-Substrat aufgewachsen wurde. Aus dieser Schicht kann durch geeignete laterale Strukturierung, die einen Josephson-Kontakt mit definierten Dimensionen und damit auch definiertem I_c schafft, ein Bauelement mit einem Josephson-Kontakt gefertigt werden. Teilbild a zeigt die topographische Aufnahme, Teilbild b zeigt das Phasensignal. Teilbild c ist ein der topographischen Aufnahme entnommener Linescan. Die Stufenkante verläuft in den Teilbildern a und b diagonal von links oben nach rechts unten. 4 shows an AFM image of a YBCO layer grown on an anti-epitaxial buffer layer of MgCO ₃ , which in turn was grown on a textured MgO substrate. From this layer, a component with a Josephson junction can be produced by suitable lateral structuring, which creates a Josephson junction with defined dimensions and thus also defined I _c . Partial image a shows the topographic image, partial image b shows the phase signal. Partial image c is a line scan taken from the topographic image. The step edge runs in the partial images a and b diagonally from top left to bottom right.

Das Phasenbild b zeigt deutlich, dass die Kristallstruktur des YBCO sich an der Stufenkante stark ändert. Auf dem oberen Plateau der Stufenkante links unten im Bild ist das YBCO in annähernd rechteckig begrenzten Spiralstrukturen aufgewachsen, wobei eine Seite des Rechtecks jeweils senkrecht auf die Stufenkante und damit auf die Korngrenze zwischen den beiden verschiedenen Kristallorientierungen ausgerichtet ist. Jenseits der Stufenkante, rechts oben im Bild, ist das YBCO in einer raueren Struktur aus rechteckig begrenzten Inseln aufgewachsen, bei denen eine Seite wiederum rechtwinklig auf die Stufenkante ausgerichtet ist.The phase image b clearly shows that the crystal structure of the YBCO changes greatly at the step edge. On the upper plateau of the step edge on the lower left of the image, the YBCO is grown in approximately rectangular spiral structures, one side of the rectangle is aligned perpendicular to the step edge and thus to the grain boundary between the two different crystal orientations. Beyond the step edge, in the upper right corner of the picture, the YBCO grew up in a rougher structure of rectangular islands, one side of which is aligned at right angles to the step edge.

Im Linescan in Bild 4c sind vier Punkte 1 bis 4 markiert. Die folgende Tabelle gibt oberhalb der Diagonalen die laterale Entfernung von einem Punkt zu den anderen Punkten und unterhalb der Diagonalen den Höhenunterschied von einem Punkt zu den anderen Punkten an:

In the line scan in Figure 4c four points 1 to 4 are marked. The following table gives the lateral distance from one point to the other points above the diagonal and below the diagonal the difference in height from one point to the other points:

5 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines fehlgeschlagenen Versuchs, ein erfindungsgemäßes Bauelement herzustellen. Die Aufnahme zeigt die Oberfläche einer YBCO-Schicht, die auf einer etwa 10 nm dicken antiepitaktischen Pufferschicht aus MgCO₃ aufgewachsen und noch nicht lateral strukturiert wurde. Diese antiepitaktische Pufferschicht war wiederum auf einem texturierten MgO Substrat mit einer Stufenkante aufgewachsen worden. Die Stufenkante verläuft in der Bildmitte senkrecht von oben nach unten. 5 is a scanning electron micrograph of a failed attempt to produce a device according to the invention. The image shows the surface of a YBCO layer, which was grown on an approximately 10 nm thick anti-epitaxial buffer layer of MgCO ₃ and not yet laterally structured. This anti-epitaxial buffer layer, in turn, was grown on a textured MgO substrate with a step edge. The step edge runs in the middle of the picture vertically from top to bottom.

Das YBCO ist in Form von terrassenähnlichen Körnern mit annähernd rechteckiger Grundfläche aufgewachsen. Die Körner wachsen entlang der c-Achse des YBCO in die Höhe. Diese Achse steht offensichtlich senkrecht auf der Zeichenebene, so dass die antiepitaktische Pufferschicht die Orientierung der c-Achse erfolgreich vom Einfluss des Substrats entkoppelt hat, das bestrebt ist, die c-Achse in die Schichtebene zu drehen. Die Kanten der Grundfläche eines jeden Korns sind die a- und b-Kristallachsen des YBCO. Bei fast allen. sichtbaren Körnern bilden die a- und b-Kristallachsen einen Winkel von 45° mit der Stufenkante. Dies ist gerade der Winkel, bei dem nur ein minimaler Suprastrom zwischen den beiden Elektroden des Josephson-Kontakts zu beiden Seiten der Stufenkante transportiert werden kann. Der Erfinder führt dies darauf zurück, dass die antiepitaktische Pufferschicht zu dick war. Sie hat nicht nur die Orientierung der c-Achse der YBCO-Schicht vom Substrat entkoppelt, sondern die YBCD-Schicht auch so stark von der in das Substrat eingebrachten Texturierung abgeschirmt, dass diese die a- und b-Achsen des YBCO nicht mehr orientieren konnte.The YBCO is grown in the form of terraced grains of approximately rectangular footprint. The grains grow up along the c-axis of the YBCO. This axis is apparently perpendicular to the plane of the drawing, so that the anti-epitaxial buffer layer has successfully decoupled the orientation of the c-axis from the influence of the substrate, which tends to rotate the c-axis into the layer plane. The edges of the base of each grain are the a and b crystal axes of the YBCO. In almost all. visible grains form the a and b crystal axes at an angle of 45 ° with the step edge. This is precisely the angle at which only a minimal supercurrent can be transported between the two electrodes of the Josephson junction on either side of the step edge. The inventor attributed this to the fact that the anti-epitaxial buffer layer was too thick. It not only decoupled the orientation of the c-axis of the YBCO layer from the substrate, but also shielded the YBCD layer so strongly from the texturing introduced into the substrate that it could no longer orient the a- and b-axes of the YBCO ,

6 zeigt einen gleichwertigen Ausschnitt aus einer erfolgreich hergestellten erfindungsgemäßen YBCO-Schicht vor der lateralen Strukturierung zum konkreten Bauelement. Gegenüber 5 wurde die Dicke der antiepitaktischen Pufferschicht auf 0,5 nm reduziert. Dies hat bewirkt, dass nunmehr die a-Achse der weitaus meisten Körner senkrecht auf der in der Bildmitte von oben nach unten verlaufenden Stufenkante steht. Dadurch kann ein maximaler Suprastrom über die Stufenkante und damit auch über den Josephson-Kontakt transportiert werden. Zugleich hat die antiepitaktische Pufferschicht nach wie vor die Orientierung der c-Achse vom Einfluss des Substrats entkoppelt. Die Orientierung der c-Achse ist gegenüber 5 unverändert. 6 shows an equivalent section of a successfully prepared YBCO layer according to the invention before the lateral structuring of the concrete component. Across from 5 The thickness of the anti-epitopic buffer layer was reduced to 0.5 nm. This has caused that now the a-axis of the vast majority of grains is perpendicular to the center of the image running from top to bottom running step edge. As a result, a maximum supercurrent can be transported via the step edge and thus also via the Josephson contact. At the same time, the anti-epitaxial buffer layer has still decoupled the orientation of the c-axis from the influence of the substrate. The orientation of the c-axis is opposite 5 unchanged.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009025716 [0029]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

E. Mitchell, CP Foley, "YBCO step-edge junctions with high ICRN", Superconductor Science and Technology 23, 065007 (2010), doi: 10.1088 / 0953-2048 / 23/6/065007 [0003]

Claims

A device comprising a Josephson junction comprising a substrate having at least one step edge in its surface and a layer of high temperature superconductive material disposed thereon, said layer having at the step edge a grain boundary forming the weak link of the Josephson junction, characterized in that on both sides of the step edge the a- and / or the b-crystal axis in the plane of the high-temperature superconducting layer by texturing the substrate and / or at least one buffer layer arranged between the substrate and the high-temperature superconducting layer to a deviation of at most 10 ° is aligned perpendicular to the grain boundary.

Component according to Claim 1, characterized in that an anti-epitopic buffer layer is arranged between the high-temperature superconducting layer and the substrate, this anti-epitopic buffer layer being either amorphous or having a crystal structure which is not epitaxial with the substrate and / or the high-temperature superconducting layer, such that the c-axis the high-temperature superconducting layer is perpendicular to the surface of this layer except for a deviation of at most 10 °.

Component according to Claim 2, characterized in that the anti-epitopic buffer layer has a thickness of 10 nm or less, preferably 1 nm or less and most preferably 0.5 nm or less.

Component according to one of Claims 2 to 3, characterized in that each lattice constant of the anti-epitaxial buffer layer in the layer plane is closer to the lattice constants a and b in the plane of the high-temperature superconducting layer than to any integer multiple or divisor of the lattice constant c of that layer.

Component according to one of claims 2 to 4, characterized in that the anti-epitaxial buffer layer is textured.

Component according to one of claims 2 to 5, characterized in that between the substrate and the anti-epitaxial buffer layer or between the anti-epitaxial buffer layer and the high-temperature superconducting layer, a further textured buffer layer is arranged.

Component according to one of claims 1 to 6, characterized in that a textured buffer layer is arranged as the sole buffer layer directly between the substrate and the high-temperature superconducting layer.

Component according to claim 6, characterized in that the textured buffer layer is at least 20%, preferably at least 50% and most preferably at least 100% thicker than the anti-epitopic buffer layer.

Component according to one of claims 6 to 8, characterized in that the textured buffer layer has a thickness of 10 nm or less, preferably of 1 nm or less and most preferably of 0.5 nm or less.

Component according to one of claims 6 to 9, characterized in that the textured buffer layer has in its plane a lattice constant which is between 90% and 100% of the lattice constants of the high-temperature superconducting layer along one of its axes a or b in the layer plane.

Component according to one of claims 1 to 10, characterized in that the texturing surveys and / or depressions having a mean height or depth between 1 nm and 5 nm.

Component according to one of claims 1 to 11, characterized in that the radius of curvature of the substrate at the step edge is 5 nm or less, preferably 1 nm or less.

Component according to one of claims 1 to 12, characterized in that the step edge separates a plane surface area of a curved surface area.

Component according to Claim 13, characterized in that the radius of curvature of the curved region is 10 nm or more, preferably 100 nm or more and very particularly preferably 1 μm or more.

Component according to one of claims 1 to 14, characterized in that the surface of the substrate at the step edge by an angle between 20 ° and 60 °, preferably between 35 ° and 45 °, kinked.

Component according to one of claims 1 to 15, characterized in that the texturing is rectangular or linear.

A detector for THz radiation or superconducting quantum interference, SQUID, characterized by at least one component according to one of claims 1 to 16.

A method of making a device having a Josephson junction from a substrate having at least one step edge in its surface, wherein a high temperature superconducting layer is applied to the surface so as to extend to both sides of the step edge, characterized in that the substrate is textured and or a textured buffer layer is applied to the substrate and then the high-temperature superconducting layer is applied by way of graphoepitaxy, so that the high-temperature superconducting layer at the step edge forms a grain boundary and its a- and / or b-axis by the texturing except for a deviation is aligned at most 10 ° perpendicular to the grain boundary.

A method according to claim 17, characterized in that the orientation of the c-axis of the high-temperature superconducting layer is decoupled from the orientation of the substrate by applying an anti-epitopic buffer layer which is either amorphous or non-substrate to the substrate and / or before application of the high-temperature superconducting layer. or has epitaxy compatible crystal structure to the high-temperature superconducting layer.