DE2441812A1

DE2441812A1 - Josephson-kontakte mit minimalen resonanzamplituden

Info

Publication number: DE2441812A1
Application number: DE2441812A
Authority: DE
Inventors: Juri Matisoo; Hans Helmut Zappe
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-12-07
Filing date: 1974-08-31
Publication date: 1975-06-12
Also published as: FR2254112A1; JPS5091296A; US3906538A; JPS5830747B2

Description

Böblingen, den 22. August 1974

te/se ■"..-.

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y* 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: YO 972 128

Josephson-Kontakte mit minimalen Resonanzamplituden

Die Erfindung betrifft den Aufbau von Josephson-Tunnelkontakten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der jüngeren Vergangenheit sind zahlreiche'Veröffentlichungen erschienen, welche die Physik von Tunnelkontakten, ihre Herstellungsmethoden und Anwendungsgebiete beschreiben. Eine umfassende Darstellung von Josephson-Tunnelkontakten gibt insbesondere der Artikel von Juri Matisoo, IEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-5, Nr. 4, Dezember 1969, "Josephson-Type Superconductive Tunnel Junctions and Applications", der außerdem eine ausführliche Bibliographie enthält.

Gewisse Eigenschaften von Josephson-Tunnelkontakten lassen sie für den Gebrauch als Schaltelemente in Logikkreisen geeignet erscheinen. Eine dieser Eigenschaften besteht in der Fähigkeit eines Tunnelkontakts, einen Suprastrom mit einer maximalen Stromstärke I , den sogenannten maximalen Josephson-Strom, aufrecht zu erhalten und in einen nichtsupraleitenden Zustand umzuschalten, wenn der an den Kontakt angelegte Strom den Wert I überschreitet. Das Umschalten kann auch durch Anlegen eines Magnetfelds an den Kontakt erfolgen, beispielsweise mit Hilfe einer benachbart angeordneten Steuerleitung, in der ein Strom fließt..Wenn der Kontakt zu seinem nicht supraleitenden Zustand umschaltet, erscheint an darn Kontakt eine Spannung von ν=2Δ/β, wobei 2A/e die Lückenspannung ist. Eine andere wesentliche Eigenschaft des Tunnelkontakts

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ist die Abhängigkeit von I vom Magnetfeld. Durch Verändern des angelegten Magnetfelds kann ein Tunnelkontakt, durch den ein gegebener Strom fließt, von seinem Zustand mit.v=O (supraleitend) in. den Zustand ν=2Δ/β umgeschaltet werden.

Die bisher in logischen Anwendungen gebräuchliche Form eines Josephson-Tunnelkontakts hatte eine rechteckige Gestalt;man hat festgestellt, daß solche Kontakte, welche sich durch eine nichtlineare Stromverteilung und ein asymmetrisches Diagramm des maximalen Josephson-Stroms als Funktion vom angelegten Magnetfeld auszeichnen, besonders geeignet sind für logische Anwendungen. Typischerweise werden Kontakte mit L/Xj > 2 als nichtlinear angesehen; hierbei bedeutet ~

L die Länge des Kontakts und
^j. die Josephson-Eindringtiefe.

Die meisten der heute als geeignet angesehenen Kontakte besitzen Werte von l»A₃ zwischen 2 und 5.

Beim Betrieb von Schaltkreisen mit derartigen Josephson-Elementen ist es wünschenswert, diese zwischen den Zuständen mit v=0 und v=2Ä/e umzuschalten, um somit die maximale Differenz zwischen den beiden stabilen Zuständen eines Josephson-Elements auszunutzen. Es zeigt sich jedoch, daß das Vorhandensein von Resonanzen in vielen Fällen das Umschalten zur Spannung 2Δ/β verhindert; dieser Sachverhalt wird nun näher erläutert. Das Resonanzproblem besteht in dem Bestreben der Tunnelkontakte, bei Spannungen kleiner als^A/e in einen Resonanzzustand überzugehen, wenn versucht wird, den Kontakt umzuschalten. Neben den früher erwähnten Eigenschaften eines Josephson-Kontakts besteht nämlich eine weitere gut bekannte Eigenschaft darin, einen oszillierenden Suprastrom zu erzeugen, dessen Frequenz proportional zur angelegten Gleichspannung ist, d.h., 483 MHz/JuV. Das Auftreten dieser oszillierenden Supraströme in nichtlinearen Tunnelkontakten, scheint in der Gleichstrom-Spannungskurve eines Kontakts wohldefi-

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nierte Resonanzstufen hervorzurufen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dementsprechend darin, einen Josephson-Tunnelkontakt anzugeben, in dem diese Resonanzerscheinungen weitgehend unterdrückt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch angegebene Erfindung gelöst; Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Um zu verhindern, daß ein Josephson-Kontakt beim Umschalten auf einer der erwähnten Resonanζ-Stufen in der Strom-Spannungscharak- · teristik hängen bleibt, wird vorgeschlagen, Mittel zur Dämpfung der Resonanzen einzubauen. Die erfindungsgemäße Lösung hierzu besteht im wesentlichen darin, eine vom rechtwinkligen abweichende Gestalt der Kontaktelektroden zu wählen, ohne dabei das Verhältnis L/X_ zu ändern. Die Reflexionsverluste der unvermeidlich entstehenden elektromagnetischen Wellen werden dadurch stark erhöht.

Durch die hier beschriebene Erfindung werden stehende Wellen in einem Josephson-Tunnelkontakt vermieden/ bzw. die Resonanzamplituden drastisch verringert und störende Resonanzeffekte beim Umschalten des Kontakts unterdrückt. Dieser Sachverhalt läßt sich auch so ausdrücken: die Güte des Josephson-Kontakts als resonanzfähiges Gebilde wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen stark verringert.

Die vorteilhaften Eigenschaften dieser Erfindung bestehen hauptsächlich darin, beim Umschalten von Josephson-Kontakten störende Einflüsse von nicht erwünschten Wellenformen zu unterdrücken, ohne dabei die nutzbare Spannungsdifferenz zwischen den beiden Zuständen eines Josephson-Kontakts beim Umschalten zu beeinträchtigen. Diese Vorteile lassen sich erzielen, ohne daß hierzu die bekannten. und bewährten Herstellungsverfahren für Josephson-Kontakte wesentlich abgeändert werden müßten? insbesondere kann auch die erfinr dungsgemäße Struktur der Kontakte mit den bisher üblichen Aufdampfund Oxydierungsverfahren hergestellt werden.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines Josephson-

Tunnelkontakts herkömmlicher Bauart/

Fig. 2 das Strom-Spannungsdiagramm imGleichstromfall

eines Josephson-Tunnelkontakts,

Fign. 3, 4 und 5 perspektivische Ansichten von Josephson-Kontakten,

deren Gestalt mit dem Ziel der Verringerung von Resonanzamplituden gewählt wurde ,

Fig. 6 ein Diagramm zur Illustration der Reduzierung

der Resonanzamplituden aufgrund der nicht rechtwinkligen Gestalt der Josephson-Kontakte.

In Fig. 1 ist ein typischer Josephson-Tunnelkontakt herkömmlicher Art dargestellt, wie er als Schaltelement für Logikkreise verwendet wird. Das Elemenet enthält zwei Supraleiter 10 und 12, welche aus einem geeigneten Material, wie z.B. Blei bestehen und außerdem eine dünne Tunneigrenζschicht 14 (wie z.B. eine Oxidschicht). Der Tunnelkontakt ist durch die Schichtstruktur Supraleiter-Isolierschicht -Supraleiter gegeben. Der strom, der zwischen den beiden Supraleitern fließt, durchquert die Grenzschicht. Der Kontakt hat die Länge L und die Breite W.

Die Strom-Spannungscharakteristik für einen Tunnelkontakt der angegebenen Art im Gleichstromfall wird durch das Diagramm in Fig. 2 gegeben, wo der an die Supraleiter 10 und 12 angelegte Strom durch das Element I als Funktion der Spannung an dem Element aufgetragen ist. Die Resonanzstufen 18 brauchen für den Augenblick nicht zu interessieren.

Der Tunnelkontakt wirkt für Ströme bis zum Josephson-Stroin I_1n als

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Supraleiter. Für Ströme, die kleiner sind als I^ bleibt die Spannung aai Kontakt bei 0 Volt. Für Ströme größer I springt die Spannung auf 2 /s/e, wobei 2 b/e die Luc ken spannung ist. Die Kurve 20 stellt die Strom-Spannungscharakteristik vor dem Umschalten dar, während dar Kurvenzug 22 die Strom-Spannungskurve nach dem Umschalten ist. Wie früher erwähnt, kann das Umschalten auch durch Anlegen eines Magnetfelds an den Kontakt erfolgen, beispielsweise unter Verwendung einer Steuerleitung mit einem eingeprägten Strom. Es ist ersichtlich, daß nach dem Umschalten durch bloßes Verringern von I unter den Wert I der Kontakt nicht in den Zu-

g m

stand v=0 zurückgeschaltet werden kann.

In typischen Anwendungen für Logikkreise liegt ein Zweig mit einem Widerstand parallel zum Tunnelkontak't und es fließt ein konstanter Strom zwischen den Supraleitern 10 und 12. wobei I < I . Das Umschalten erfolgt durch Ändern des angelegten Magnetfelds, um damit den maximalen Josephson-Strom auf den Wert I ' einzustellen, wobei I ' < I .

mg · ■

Nichtlineare Tunnelkontakte haben sich als besonders vorteilhaft für den Gebrauch als Schaltelemente in Logikkreisen erwiesen. Im wesentlichen ist in einem nichtlinearen Kontakt der Strom durch den Kontakt nicht gleichförmig verteilt. Kontakte, welche der Bedingung L/λ > 2 genügen, werden als nichtlinear betrachtet'. L ist die Länge des Kontakts und λ die Josephson-Eindringtiefe.

In nichtlinearen Kontakten spielen Eigenfelder eine wichtige Rolle; die daraus resultierende, nicht gleichförmige Verteilung der Josephson-Stromdichte führt zu stark nichtlinearem Verhalten sowohl im statischen als auch im dynamischen Betrieb. Die nicht gleichförmige Stromverteilung ist für die abrupten Stromstufen der Stromspannungskurve im Gleichstromfall verantwortlich. Diese abrupten Stufen werden durch die Kurvenzüge 18 in Fig. 2 angedeutet. Es handelt sich bei diesen Stufen um" Wirbelmoden innerhalb des Tunnelkontakts und sie geben einen Hinweis auf die Fähigkeit des Kontakts, Eigenschwingungen aufzubauen. Di© Ampli-"

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24Λ1812 - β -

tude der Stromstufen wächst im Normalfall mit der Nichtlinaarität des Kontakts, d.h., je größer der Wert von L/ _, desto größer die Amplitude der Stromstufe.. Die Amplituden können genügend groß sein, um die Benützung des Kontakts als Schaltelement in einem Gerät, beispielsweise einem logischen Schaltkreis , zu beeinträchtigen. Diese Störung läßt sich mit Hilfe des Diagramms in Fig. 2 verstehen, wenn damit das oben beschriebene Umschaltbeispiel mit Berücksichtigung der Stromstufen 18 betrachtet wird.

Hierzu wird angenommen, daß das Schaltelement durch Verändern des angelegten Magnetfelds betrieben werden soll, um somit den maximal zulässigen Josphson-Strom von I auf I ' zu verringern. Weiterhin wird angenommen, daß der angelegte Strom I zwischen I und I ' liegt. Beträgt der maximale Josephson-Strom I , so fließt der gesamte Strom I durch den Kontakt und dieser bleibt in seinem Zustand v=0. Wird dagegen der maximale Josephson-Strom auf I ' verringert {£l ), so springt der Kontakt im Normalfall in den Zustand mit ν=2Δ/β, wie es durch die gestrichelte Linie 24 angedeutet ist. Die an dem Kontakt erscheinende endliche Spannung führt zu einem Ausgangsstrom von 2A/2eR, der durch den parallelen Ausgangspfad fließt, wobei 2eR der Gleichstromwiderstand des Ausgangspfades ist.

Nach der Darstellung in Fig. 2 sind jedoch die Amplituden einiger der Stromstufen größer als I '. Als Folge davon kommt es vor, daß der Tunnelkontakt nicht von dem Zustand v=0 zum Zustand ν=2Δ/β springt, sondern statt dessen zu einer der Resonanzmoden, welche durch die Stromstufen 18 dargestellt sind. Hierbei besteht die Möglichkeit, daß der Tunnelkontakt in einer der Resonanzmoden eingefangen wird und niemals den Wert ν=2Δ/β erreicht, er kann aber auch von einem Resonanzzustand zum anderen springen, um schließlich auf diesem Weg den Zustand 2Δ/β zu erreichen. Es ist ersichtlich, daß in allen Fällen, in denen der Tunnelkontakt nicht direkt in den Zustand 2Δ/β übergeht, wenn der Wert des maximalen Josephson-Stroms auf den geringen Wert I ' umgeschaltet wird, die

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Brauchbarkeit des Kontakts als logisches Element beeinträchtig ist.

Eine Möglichkeit, die Resonanzmoden zu vermeiden, bestünde darin, den Wert I ' über die maximale Amplitude„der Stromstufen anzuheben. Dies würde jedoch die für den Schaltungsentwurf notwendige Flexibilität beeinträchtigen, da dadurch die Änderungen des Josephson-Stroms beim Umschalten auf sehr enge Bereiche reduziert würden. Außerdem würde sogar diese Einschränkung in manchen Fällen nicht ausreichen und zwar immer dann, wenn die maximalen Stromstufen Amplituden besitzen, die ebenso groß sind, wie der maximale Josephson-Strom ohne Magnetfeld. Beispielsweise erreicht in recht- · eckigen Tunnelkontakten mit L/5L= 5 die Amplitude der Stromstufen die Höhe des maximalen Josephson-Stroms im Null-Feld. Es ist ersichtlich, daß das Verhältnis von Z_n/{1 ) ~ mit steigendem L^₇

κ. m υ υ

abnimmt, wobei (I )_ der maximale Josephson-Strpm im Null-Feld und I die maximale Amplitude der Stromstufen ist.

Resonanζphänomene sind in dem Artikel "Dynamic Behavior of Josephson Tunnel Junctions in the Subnanosecond Range" von H.H. Zappe und K.R. Grebe, J.'Appl. Physics., Vol. 44, Nr. 2, Februar 1973, pp. 865 bis 874 beschrieben. Für die vorliegende Betrachtung ist es ausreichend, den Tunnelkontakt als Hohlraumresonantor· oder als Streifenleitung zu betrachten. Je größer die Nichtlinearität des Kontakts ist, desto mehr wird der ihn durchfließende Strom auf die Ränder des Kontakts beschränkt. Josephson-Schwingungen, welche in den Kontakt eindringen, durchlaufen die Länge L, als sei der Kontakt ein Hohlraumresonator der Länge L und werden dann reflektiert. Wie im Fall eines Hohlraums führt die Verstärkung der Reflexionen zu stehenden Wellen und dies wiederum ergibt die Resonanzmoden in dem Kontakt.

Ein Verfahren zur Reduzierung des Verhältnisses I_o/I bestünde

Km

darin, die Länge des Kontakts so klein zu machen, daß der einzige Resonanζzustand,der von dem Kontakt aufrechterhalten werden kann, bei einer Frequenz länge, die gleich der Plasmafreguenz des Metalls

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ist. Bei diesen Frequenzen tritt eine enorme Dämpfung auf. Dieses Verfahren ist im gegenwärtigen Zeitpunkt jedoch nicht besonders praktisch, da es zu Längen des Kontakts von nur einigen Mikron führt.

Wird die Länge des Kontakts in Richtung des Stromflusses verkleinert, so steigt die Resonanzfrequenz. Mit steigender Resonanzfrequenz steigt auch die Spannung, bei der Resonanzen auftreten. Für diese kleinen Tunnelkontakte liegt die Spannung> bei der Resonanzen auftreten (inklusive Spannungen, bei denen Harmonische der Grundresonanzen entstehen) in einem Betriebsbeireich mit sehr starker Dämpfung. Für eine Spannung, die der Lückenspannung entspricht, ist die Dämpfung ein Maximum.

Eine mehr an der Praxis orientierte Lösung dieses Problems, die außerdem unabhängig von der Größe des Tunnelkontakts anwendbar ist, besteht darin, die Gestalt des Randes oder der Ränder des Tunnelkontaktes so abzuändern, daß dieser nicht mehr rechtwinklig ist. Eine Auswirkung der geänderten Form ist das Einführen einer unregelmäßigkeit in dem "Hohlraumresonator" des Tunnelkontakts, wodurch die Güte des Hohlraumresonators herabgesetzt wird. Durch die nicht mehr vorhandene Parallelität der Ränder des Kontakts, ist dessen Fähigkeit zur Aufrechterhaltung von stehenden Wellen beträchtlich reduziert.

Die eben gegebene Erklärung stellt natürlich keineswegs eine vollständige Darstellung der physikalischen Veränderungen dar, die durch die Formänderung der Ränder des Kontakts hervorgerufen wurden. Sie beruht auf der Vorstellung, daß der Kontakt mit einem "Hohlraumresonator" verglichen werden kann. Es darf hierbei jedoch nicht übersehen werden, daß der Tunnelkontakt ein stark nichtlinearer Hohlraumresonator 1st und daß die Güte dieses Hohlraums nicht konstant 1st. Die Gestalt scheint außerdem die Anregung des Tunnelkontakts zu beeinflussen, welche ihrerseits den Energiebetrag beeinflußt, der in die Resonanzmoden eingepumpt wird. Die Gestalt des Kontakts übt also eine doppelte Wirkung auf

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die Resonanzamplituden aus. ·

Im allgemeinen scheint es, daß beliebige Formgebungen verwendet werden können, in denen die Ränder an entgegengesetzten Enden eines Tunnelkontakts nicht genau parallel zueinander sind und somit keine rechtwinklige Struktur bilden; einige Beispiele von nicht rechtwinklig gestalteten Tunnelkontakten mit reduziertem I_RA_m für gegebene Werte von LA _T sind in den Fign. 3, 4 und 5 angegeben. Die Fign. 3 und 4 zeigen regelmäßig geformte, nicht rechtwinklige Tunnelkontakte, deren Kanten die Gestalt eines Dreiecks oder eines Kreises haben, während Fig. 5 einen unregelmäßig gestalteten Kontakt darstellt. Die in den Fign. 3, 4 und 5 benutzten Bezugszeichen sind für entsprechende Elemente dieselßen, wie in Fig. 1.

Messungen an Tunnelkontakten mit Formgebungen entsprechend den Fign. 1, 3 und 4 zeigen eine beträchtliche Abnahme des Verhältnisses I_D/I bei einem gegebenen Wert L/X_x, wenn man von der

Xv IU U

rechtwinkligen zu einer nicht rechtwinkligen Formgebung übergeht.

Die Meßergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt und in Fig. 6 dargestellt, wobei die Gestalt des Symbols in der graphischen Darstellung die Formgebung des untersuchten Tunnelkontakts angibt.

Tabelle

Gestalt	L/Aj
Rechteck	5.0
Rechteck	3.0
Raute	5.7
Raute	4.5
Kreis	3.0
Kreis	3.5

1.0 0.6 0.5 0.5 0,4 0.5

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Josephson-Tunnelkontakt, bestehend aus der ebenen Schichtstruktur "Erste supraleitende Elektrode - dünne Isolierschicht - zweite supraleitende Elektrode", dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungen der Elektroden (10, 12, Fig. 1) und der Isolierschicht (14) in einer vom Rechtwinkligen abweichenden Formgebung ausgeführt sind, um damit Resonanzeffekte (stehende Wellen von Supraströmen) innerhalb des Kontakts zu verhindern, bzw. abzuschwächen.
2. Josephson-Tunnelkontakt, insbesondere nichtlinearer Kontakt, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und die Isolierschicht des Kontakts in der Form eines Dreiecks begrenzt sind und somit der Kontakt eine rautenförmige Gestalt erhält (Fig. 3).
3. Josephson-Tunnelkontakt, insbesondere nichtlinearer Kontakt, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und die Isolierschicht des Kontakts durch gekrümmte Linien begrenzt sind (Fig. 5).
4. Josephson-Kontakt nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung der Elektroden und der Isolierschicht durch Kreissegmente erfolgt (Fig. 4).
5. Verfahren zur Herstellung von Josephson-Tunnelkontakten, nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Schritte.

1. Erzeugen einer Isolierschicht auf einer ersten supraleitenden Elektrode,

2. Erzeugen einer zweiten supraleitenden Elektrode auf der Isolierschicht,

3. Formgebung der ersten Elektrode,der Isolierschicht und der zweiten Elektrode, entsprechend einer nicht rechtwinkligen Gestalt.

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6. Josephson-Tunnelkontakt nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des rechtwinkelig begrenzten Kontakts so klein gewählt ist, daß die Frequenz der im Kontakt entstehenden Resonanzschwingungen gleich der Plasmafrequenz des Elektrodenmaterials ist.
7. Josephson-Tunnelkontakt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des rechtwinklig begrenzten Kontakts so klein gewählt wird, daß die Spannung, die der im Kontakt entstehenden Resonanzschwingung entspricht, im Bereich der Lückenspannung liegt.

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