DE2153250B2 - Josephson-Kontakt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Josephson-Kontakt aus zwei Elektroden aus supraleitfähigem Material und einer Tunnelbarriere zwischen diesen Elektroden, die eine höchstens 5 nm dicke Schicht aus dem Oxyd einer dieser Elektroden ist.

Aus der USA-Patentschrift 3 370210 ist ein solcher Kontakt bekannt, aber es ist nicht angegeben, aus welchem Material die Elektroden bestehen. Für die Tunnelbarriere ist als Beispiel SiO erwähnt.

Blei hat gute Supraleitfähigkeiten und ist deshalb als Elektrodenmaterial gut geeignet. Es ist aber sehr schwierig, auf Blei eine hinreichend dünne Oxydschicht herzustellen, weil Blei sehr schnell oxidiert, so daß die Schicht der Tunnelbarriere leicht zu stark wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Josephson-Kontakt der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die günstigen Supraleitfähigkeitseigenschaften des Blei ausgenutzt werden können und ohne Schwierigkeiten eine hinreichend dünne Tunnelbarriere erzielbar ist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden aus Blei dotiert mit Indium besteht und daß die Schicht mindestens 0,2 nm stark ist und aus dem Oxyd der mit Indium dotierten Bleielektrode besteht.

Auf dem indiumdotierten Blei kann man eine Oxydschicht aufbauen, deren Aufbau sich hervorragend steuern läßt, so daß es verhältnismäßig einfach ist, auch in der Massenproduktion auf diese Weise eine für den angestrebten Josephson-Strom optimal dünne Tunneibarriere fest haftend reproduzierbar zu erzielen.

Die Erfindung bietet noch eine Reihe weiterer Vorzüge, die neben Weiterbildungen der Erfindung, die Gegenstand der Unteransprüche sind, anhand der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 perspektivisch in einer Explosionsdarstellung einen Josephson-Kontakt nach der Erfindung,

Fig. 2 den Schnitt durch einen Josephson-Kontakt und

Fig. 3 ein Kennliniendiagramm des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Josephson-Kontakts.

Mit 10 ist in Fig. 1 ein Josephson-Kontakt bezeichnet, der eine dünnschichtige Josephsonsche Verbindung aufweist. Der Josephson-Kontakt 10 weist zwei supraleitfähige Elektroden 12 und 14 auf, die durch eine dazwischen gelegene Tunnelbarriere 16 getrennt sind, die aus einem Oxyd des Materials der Basiselektrode 12 besteht. Der Josephson-Kontakt 10 ist auf einem Substrat 18 angeordnet, das aus Glas, Quarz oder dergleichen indifferentem Material bestehen kann. Eine Isolierschicht 20 isoliert elektrisch eine supraleitfähige Steuerleitung 22 gegenüber dem Josephson-Kontakt 10.

Der Josephson-Kontakt wird mit so niedriger KeI-vintemperatur betrieben, daß sich Supraleitung einstellt.

Der von einer nicht dargestellten Stromquelle ausgehende Strom / passiert die Tunnelverbindung der Elektroden 12 und 14 und die dazwischen gelegene Tunnelbarriere 16. Das Maximum des Josephsonschen Stroms, der bei der Spannung null über der Tunnelverbindung bestehen kann, ist bestimmt durch eine Vielzahl unterschiedlicher Faktoren. Durch die Steuerleitung 22 fließt ein Steuerstrom Ic, der ein sich durch die Tunnelverbindung erstreckendes magnetisches Feld erzeugt und dadurch die Größe des Maximums des Josephsonschen Stroms I_MAX beeinflußt.

Man hat verschiedene Materialien für die Elektroden eines solchen Josephsonschen Kontaktes vorgcschlagen, darunter auch die beiden Typen I und II von supraleitfähigen Materialien. Es ist jedoch nicht einfach, einen Josephsonschen Kontakt zu bauen, da dafür eine Reihe verschiedener Kriterien in Betracht

zu ziehen sind, die im folgenden aufgeführt sind.

1. Stabilität während wiederholter thermischer Zyklen.

2. Ein hohes Maximum des Josephsonschen Stroms.

3. Ein niedriger Tunnelwiderstand.

4. Beeinflußbare und gleichmäßige Oxydationscharakteristika beziehungsweise Eigenschaften der Tunnelbarriere und

5. kein Materialübergang während der Lagerung oder der thermischen Zyklen.

Nach der Erfindung besteht mindestens eine der Elektroden 12 und 14 aus Blei, das mit Indium dotiert ist. Die Tunnelbarriere besteht aus dem Oxyd der mit Indium dotierten Bleielektrode.

In Fig. 2 ist die Isolierschicht 20 und die Steuerleitung 22 der Übersicht halber nicht dargestellt. Diese Teile, also die Steuerleitung und die Isolierschicht, können je nach Anwendung vorhanden sein oder nicht vorhanden sein. Das Substrat 18 dient nur als Träger für den Josephson-Kontakt 10.

In Fig. 3 ist ein Stromspannungsdiagramm des Josephsonschen Kontakts 10 dargestellt. Bei diesem Kontakt gibt es bei null Volt zwei Tunnelzustände, bei der hohen Spannung dagegen nur einen einzigen Tunnelzustand. Bei null Volt fließt Josephsonscher Strom, wenn die Tunnelbarriere 16 etwa 0,2 bis 5 nm stark ist. Dabei handelt es sich um die Stärke der tatsächlichen Potentialbarriere, die die Elektronenpaare beim Tunneleffekt überwinden müssen, um den Josephsonschen Strom hervorzurufen.

Der Josephsonsche Strom kann bis zu dem kritischen Strom I_MAX anwachsen entsprechend dem ausgezogenen Kennlinienast A. Wenn die kritische Stromstärke I_MAX erreicht ist, schaltet der Josephsonsche Kontakt schnell entlang des Kennlinienastes B auf einen hohen Spannungszustand mit der Spannung V'_MAX. Der Übergang von der hohen Spannung V_MAX zur Spannung null bei abfallendem Strom verläuft entlang der Kennlinienäste C und D bis zum Strom l_MIN, der kleiner ist als der Strom I_MAX, so daß, wie auch die Zeichnung Fig. 3 zeigt, ein Hystereseeffekt vorliegt. Die Herstellung eines Josephson-Kontaktes 10 nach Fig. 1 und 2 erfolgt wie folgt. Die Basiselektrode 12 besteht aus einer Bleilegierung, die neben dem Blei Indium oder Indium und Zinn enthält. Es ist wünschenswert und vorteilhaft, daß das Indium oder das Indium und das Zinn als Verunreinigungselemente in das Blei diffundiert werden, um die Elektrodenlegierung zu erzeugen. Zu diesem Zweck kann eine Schicht aus Indium oder Indium-Zinn auf das Substrat 18 gelegt werden, auf die dann eine Schicht aus Blei gelegt wird. Bei Zimmertemperatur diffundiert dann aus der unteren Indium- oder Indium-Zinn-Schicht Material in die darüberliegende Bleischicht, und es entsteht in der oberen Schicht die gewünschte Bleilegierung, die die Elektrode 12 bildet. Die Indium- oder Indium-Zinn-Schicht ist zu diesem Zweck ungefähr 50 nm stark. Die Stärke der unterlegten Zinn- oder Indium-Zinn-Schicht hängt von der gewünschten Stärke der Dotierung der darüberzulegenden Bleischicht ab. Eine Dotierung von ungefähr K) Prozent reicht zur Erzeugung einer geeigneten Bleilegierungselektrode Haus. Da Indium eine niedrigere kritische Temperatur als Blei hat. ist es zweckmäßig, deshalb den Anteil des Indiums in der Bleilegierung zu begrenzen, weil die Supraleitfähigkeitseigenschaften der Elektrode sonst beeinträchtigt werden. Nachdem die Indium- oder Indium-Zinn-Schicht auf das Substrat gebracht wurde, wird die Schicht aus Blei darauf gedampft. Diese Bleischicht ist ungefähr 100 bis 1000 mn stark. Vorzugsweise ist ι diese Schicht 400 bis 500 nm stark, währsnd die darunterliegende Indium- oder Indium-Zinn-Schicht zwischen 10 und 50 nm stark sein kann. Der angestrebte Diffusionsvorgang findet bei Zimmertemperatur statt, man kann die Diffusion aber auch bein schleunigen durch Anwendung höherer Temperaturen von ungefähr 100 Grad Celsius bis 125 Grad Celsius.

Handelt es sich bei der unteren Schicht um eine Indium-Zinn-Legierung, dann enthält diese zweckr, mäßig Indium und Zinn in gleichen Anteilen, also etwa 50 Prozent Indium und 50 Prozent Zinn. Es sind aber auch alle anderen möglichen Mischungs- bzw. Legierungsverhältnisse des Zinn- und des Indiumanteils anwendbar.

2(i Die Tunnelbarriere 16 kann durch thermische Oxydation oder Plasmaoxydation oder auf andere Weise auf der bereits vorliegenden Bleilegierung der Elektrode 12 wachsen. Die Bleilegierungselektrode gestattet es, darauf hervorragend geeignete Tunnelr > barrieren wachsen zu lassen. Diese Barrieren können mit außerordentlich gleichbleibender Stärke und Dichte hergestellt werden und haften sehr fest an der Basiselektrode 12 aus der Bleilegierung.

Wenn man für die Herstellung der Tunnelbarriere κι thermische Oxydation anwendet, dann führt man zu diesem Zweck Sauerstoff in eine Vakuumkammer ein, in der die Basiselektrode 12 abgelegt ist, und läßt diesen Sauerstoff ungefähr 16 bis 24 Stunden einwirken, bis sich eine ungefähr 1 bis 1,5 nm starke Oxydschicht j-, auf der Basiselektrode gebildet hat. Diese thermische Oxydation findet statt im Temperaturbereich zwischen Zimmertemperatur und 40 Grad Celsius. Die Oxydationsgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Temperatur zu, aber es ist nicht wünschenswert, die Oxydationsgeschwindigkeit zu hoch zu treiben, weil sich sonst Unregelmäßigkeilen beim Wachstum ergeben.

Die Oxydationsgeschwindigkeit auf der Bleilegierungist langsamer als die unter sonst gleichen Bedingungen auf einer Schicht aus reinem Blei. Auf der Bleilegierung bildet sich ein höheres Oxyd, das eine andere Form hat als dasjenige, das sich auf reinen Bleielektroden unter sonst gleichen Bedingungen bilden würde. Die Oxydschicht hat sehr gleichmäßige Stärke, und man kann die Stärke dieser Oxydschicht auch sehr genau beeinflussen. Das gilt insbesondere auch, wenn man eine Vielzahl solcher Kontakte gleichzeitig nebeneinander angeordnet aufbauen will - eine wesentliche Voraussetzung für eine entsprechende Massenproduktion. Die Bleilegierung der Elektrode bedingt eine verbesserte Härte und auch stärkere Korngrenzen - beides Eigenschaften, die den sich aus den bei Betrieb ergebenden thermischen Schwingungen resultierenden Problemen entgegenwirken.

Die Gegenelektrode 14 besteht aus Blei. Zum Aufbringen dieser Bleielektrode kann die gleiche Vakuumkammer verwendet werden wie zum Aufbringen der Tunnelbarriere, wozu es nur nötig ist, vorher die Sauerstoffatmosphäre abzusaugen. Man kann die Bleiquelle zum Aufdampfen des Bleis für die Gegenelektrode 14 auf eine höhere Temperatur erhitzen als die für den Niederschlag wünschenswerte, um das

Ausgasen des Bleis aus der Bleischmelze zu beschleunigen. Eine solch höhere Temperatur empfiehlt sich auch, um zu vermeiden, daß die Bleischmelze spritzt. Während des Ausgasens der Bleischmel/e wird die bereits gebildete Struktur, bestehend aus der Basiselektrode 12 und der Tunnelbarriere 16, ebenso wie das Substrat abgedeckt. Anschließend wird die Temperatur der Bleischmelze abgesenkt, wodurch sich auch die Niederschlagsrate, mit der sich das ausgegaste Blei wieder niederschlägt, absenkt. Hat diese Niederschlagsrate einen zuträglichen Wert erreicht, dann wird der Schutz von der Tunnelbarriere 16 entfernt, so daß sich nun auch dort das Blei niederschlagen kann, bis ein Niederschlag von etwa 400 nm Stärke erreicht ist. Ist dies geschehen, dann wird der Schutz wieder vor die Tutinelbarriere 16 geschoben, so daß sich kein weiteres Blei auf der Tunnelbarriere beziehungsweise auf der bereits gebildeten Gegenelektrode 14 niederschlagen kann.

Man kann als Isolierschicht 20 eine Siliciumdioxydschicht auf die Gegenelektrode 14 aufdampfen, und auf diese Isolierschicht kann dann, durch eine Maske in ihrer Form begrenzt, die Steuerelektrode aufgetragen werden, zum Beispiel ebenfalls aufgedampft werden. Für die Steuerleitung 22 ist jeder Supraleiter geeignet. Man kann statt eine besondere Isolierschicht 20 aufzutragen, auf der Gegenelektrode auch eine Oxydschicht zur Isolation erzeugen, die allerdings stärker als 5 nm sein müßte und dann auf diese die Steuerleitung 22 auftragen.

Wenn man keine Steuerleitung benötigt, empfiehlt es sich dennoch, eine Schutzschicht aus lichtundurchlässigem Material oder aus einem Isoliermaterial aufzubringen, weil eine solche Isolierschicht die Stabilität des Kontaktes bei thermischen Schwingungen begünstigt.

Es sind auch Überlegungen angestellt worden, die Gegenelektrode 14 aus indium- oder indium-zinn-dotiertem Blei herzustellen. Dazu sind auch Versuche angestellt worden, die Gegenelektrode aus der gleichen Bleilegierung herzustellen wie die Basiselektrode. Die Versuche, die noch nicht abgeschlossen sind, lassen vermuten, daß solche hinsichtlich der Materialzusammensetzung beider Elektroden symmetrische Kontakte vorteilhaft sind.

Wenn für die Basiselektrode Blei, dotiert mit Indium und Zinn verwendet werden soll, empfiehlt es sich, bei der Herstellung wie folgt vorzugehen. Es wird zunächst eine Indiumschicht auf das Substrat 18 aufgetragen und auf dieser dann eine Zinnschicht niedergeschlagen. Die beiden Schichten können dabei aufgedampft werden, und die Gesamtstärke beider Schichten zusammen ist zweckmäßig etwa so groß wie bei der zuvor beschriebenen Verfahrensweise die reine Indiumschicht. Man kann, statt zuerst das Indium auch zuerst das Zinn auftragen und dann darauf das Indium. Schließlich ist es auch möglich, Zinn und Indium gemeinsam aufzudampfen mit einer Schichtstarke von ungefähr 10 bis 50 nm bei einer Stärke der angestrebten Basiselektrode 12 von 100 bis 1000 nm.

Die Bleischicht wird dann auf die Indium-Zinn-Schiehten aufgetragen, und zwar mit einer Stärke von ungefähr 400 nm. Bei Zimmertemperatur läßt man dann das Indium und das Zinn in das Blei diffundieren, so daß eine Bleilegierung entsteht. Der dabei sich im Blei ansammelnde Indiiim-Zinn-Aiiteil liegt wesentlich unter IO Prozent, hs ist aber möglich, Ixgierun-

gen mit 1 bis 25 Gewichtsprozent Anteil an Indiun oder Indium und Zinn als Basiselektroden zu verwenden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dei Gewichtsanteil an Indium oder an Indium und Zinr in der Bleilegierung für die Basiselektrode 6 Prozent Wie bereits festgestellt, ist für den Prozentanteil dei Beimischungen an Indium oder Indium und Zinn ir das Blei wichtig, wie sich dies auf die Supraleitfähigkeitcigenschaften der so entstehenden Legierung auswirkt. Wird zuviel an Indium oder zuviel an Indium und Zinn verwendet, dann ist die Übergangstemperatur zu niedrig für eine Josephsonsche Verbindung.

Die weiteren Fabrikationsschritte, das heißt, das Auftragen der Tunnclbarriere 16 und der Gegenelektrode 14 können in der gleichen Weise durchgeführt werden wie zuvor bei der Herstellung eines Kontakte; 10 mit einer Basiselektrode 12 aus Blei-Indium-Legierung beschrieben.

Josephson-Kontakte, die mit einer so bleilegierter Basiselektrode ausgestattet sind, sind vorteilhaft gegenüber bekannten Josephson-Kontakten. Ein besonderer Vorteil liegt darin, daß man bei der Herstellung die Stärke der Tunnelbarriere sehr gut auf einer gewünschten Wert bringen kann. Das ist sehr wichtig bei der Massenherstellung von Josephson-Kontakten die zu sehr vielen matrizenartig nebeneinander angeordnet sind und die dann alle die gleichen physikalischen Eigenschaften haben sollen und zu dieserr Zweck gleichstarke Tunnelbarrieren aufweisen müssen, damit der kritische Josephsonsche Stromwer I_MAX bei allen diesen Kontakten der gleiche ist. Wer den solche Schaltelemente mit unterschiedlich starke] Tunnelbarriere zu Schaltgruppen zusammengefaßt dann schalten sie infolge unterschiedlicher Werte dei kritischen Josephsonschen Ströme I_MAX bei unter schiedlichen Spannungen, und das macht die schal tungstechnische Verwendung für viele Anwendungs anfalle unmöglich, mindestens erschwert es dieselbe

Josephson-Kontakte nach der Erfindung könner mit einer Tunnelbarriere ausgestattet werden, derer Stärke innerhalb ganz geringer Toleranzgrenzen einer vorbestimmten Wert hat.

Ein anderer wesentlicher Vorteil liegt in der Tatsa ehe begründet, daß man solche Kontakte mit eine: sehr dünnen Tunnelbarriere ausgestalten kann, wai zur Folge hat, daß man die Kontakte wesentlich klei ner bauen kann und einen sehr hohen kritischen ode maximalen Josephsonschen Stromwert I_MAX erzielt. Ji kleiner diese Kontakte sind, um so geringer ist ihn Eigenkapazität und um so schneller schalten sie.

Ein weiterer Vorteil ist durch die langsame Oxyda tionsgeschwindigkeit begründet, die sich besonder: ergibt, wenn man die Tunnelbarriere durch Plasma oxydation herstellt. So hergestellte oxydierte Tunnel barrieren sind außerordentlich gleichförmig und aucl von gleichmäßiger Stärke. Auch wenn diese Tunnel barrieren sehr dünnschichtig sind, lassen sie sich kurz schlußfrei und auch ohne sonstige Strukturfehler her stellen.

Josephson-Kontakte nach der Erfindung zcigei auch eine verbesserte Stabilität bei wiederholten ther mischen Zyklen. Das liegt daran, daß die bcteiligtei Schichten, insbesondere die Tunnelbarriere, wider standsfähig genug ist, um solche thermische Zyklci zu überstehen. Die bleilegierten Elektroden vcrbcs scm auch die Widerstandsfähigkeit gegen Material verschiebungen innerhalb der Elektroden. Durch di< Legierungszusätze, die sich in der Bleilegierung außc

dem Blei befinden, wird auch die Haftung zwischen den Korngrenzen verstärkt, und dadurch werden Materialverschiebungen entlang der Korngrenzen beziehungsweise Diffusionen vermieden. Da die aus Oxyd bestehende Tunnelbarriere außerordentlich fest an den Elektroden haftet, ist der Kontakt nach dung auch mechanisch sehr stabil. Schliel durch die aus Oxyd bestehende Tunnelba außerordentlich niedrigerer Tunnelwiderstü bar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Josephson-Kontakt aus zwei Elektroden aus supraleitfähigem Material und einer Tunnelbar- ^r> riere zwischen diesen Elektroden, die eine höchstens 5 nm dicke Schicht aus dem Oxyd einer dieser Elektroden ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden (12) aus Blei dotiert mit Indium besteht und daß die Schicht mindestens 0,2 nm stark ist und aus dem Oxyd der mit Indium dotierten Bleielektrode besteht.

2. Josephson-Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus indiumdotiertem Blei bestehende Elektrode (12) außerdem mit Zinn dotiert ist.

3. Josephson-Kontakt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zinn- und Indiumgehalt in der mit Zinn und Indium dotierten Bleielektrode 1 bis 25 Gewichtsprozent beträgt.

4. Josephson-Kontakt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Indium und an Zinn in der mit Indium und Zinn dotierten Bleielektrode (12) ungefähr gleich groß ist.

5. Josephson-Kontakt nach Anspruch 1, da- 2> durch gekennzeichnet, daß der Indiumgehalt der mit Indium dotierten Bleielektrode (12) 1 bis 25 Gewichtsprozent beträgt.

6. Josephson-Kontakt nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine supraleitfähige Steuer- ju leitung (22), die unter Zwischenlage einer elektrischen Isolierschicht (20) auf die eine Elektrode (14) gelegt ist und ein die Schicht der Tunnelbarriere (16) etwa senkrecht durchsetzendes Magnetfeld erzeugend, geschleift ist. r>

7. Josephson-Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode (12), die auf einem elektrisch neutralen Substrat (18) angeordnet ist, aus der Legierung aus Blei und Indium besteht, die über die gesamte Basiselektrode das gleiche Mischungsverhältnis hat, daß auf die dem Substrat (18) abgekehrte Oberfläche der Basiselektrode (12) die Tunnelbarriere (16) geschichtet ist, die überall gleiche Schichtstärke aufweist und deren Schichtstärke einen Wert im Bereich zwischen 0,2 und 5 nm hat und daß auf die der Basiselektrode (12) abgekehrte Seite der Tunnelbarriere (16) die Gegenelektrode (14) aus Blei geschichtet ist.

8. Josephson-Kontakt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden überall eine gleiche Schichtstärke aufweisen, deren Wert im Bereich zwischen 100 und 1000 nm liegt.