DE2448050C2

DE2448050C2 - Josephson-Element mit Mehrfachsteuerleitungen

Info

Publication number: DE2448050C2
Application number: DE2448050A
Authority: DE
Inventors: Dennis James Somers N.Y. Herrell
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-10-30
Filing date: 1974-10-09
Publication date: 1984-11-08
Also published as: FR2249449B1; JPS5622388B2; US3848259A; JPS5075792A; IT1020149B; DE2448050A1; FR2249449A1; CA1023871A; GB1441510A; NL7414137A

Description

— die Breite des Rechtecks muß mindestens gleich der Breite des Tunnelkontakts sein,

— die Länge des Rechtecks, gemessen zwischen dem Tunnelkontakt und dem sich verengenden dritten Teil darf nicht kleiner sein als der größe- μ re der beiden Abstände, die quer zur Stromrichtung zwischen den Begrenzungen des Tunnelkontakts und den Begrenzungen des eingeschnürten Teils gemessen werden (h > Wi. /:> IV₂; /22; W₃, /₂> W₄ in Fig.9 und /;> W₅ in Fig. 10).

8. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nur die den Steuerleitungen am nächsten gelegene Kontaktelektrode verschieden breite Abschnitte aufweist, und daß die direkt über der Grundplatte liegende zweite Elektrode eine nicht strukturierte Streifenelektrode darstellt

9. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch seine Verwendung als logisches Verknüpfungselement.

Die Erfindung betrifft ein Josephson-Element nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine ausführliche Darstellung der physikalischen Grundlagen und der Anwendung des Josephson-Effekts finden sich in dem Artikel »Josephson-Type Superconductive Tunnel Junctions and Applications« von Juri Matisoo in IEEE Transactions on Magnetics, Band Mag-5, Nr. 4, Dezember 1969, Seiten 848 bis 873. Josephson-Elemerte und insbesondere Josephson-Kontakte mit Oxidschichten, in denen ein Tunneleffekt stattfindet wurden schon für Schalt- und Verknüpfungskreise vorgeschlagen und experimentell nachgeprüft. Die Anwendungen für Schalt- und Logikzwecke beruhen hauptsächlich auf der Magnetfeldabhängigkeit des maximalen Josephson-Superstromes l„_m{, der in einem Josephson-Kontakt fließen kann. Bezeichnet man den Arbeitsstrom durch einen Kontakt mit /,. und ist das angelegte Magnetfeld H= H] so gewählt daß l_g< l_max], so befindet sich der Kontakt in seinem supraleitenden Zustand und der angelegte Strom l_f erzeugt keinen Gleichstromspannungsabfall über dem Kontakt. Beim Erhöhen des Magnetfelds auf einen Wert H₂ sinkt der Wert von /_m.„ so, daß Ιηηχ^Ιμ; der Kontakt schaltet dabei in einen nicht supraleitenden Zustand um und erzeugt damit einen Spannungsabfall, der üblicherweise mit v=2 Δ bezeichnet wird. In einem parallel zum Josephson-Kontakt liegenden Ausgangskreis fließt dementsprechend kein Strom, wenn der Kontakt sich in seinem Zustand mit v=0 befindet, wohl aber fließt ein endlicher Strom, wenn der Kontakt den Zustand ν-2 Δ einnimmt.

Das Diagramm /,„,„ als Funktion von H wird als Verstärkungskurve bezeichnet. Zwei derartige Verstärkungskurven sind in den Fig. 13 und 18 des zitierten Artikels gezeigt. Beide Kurven gelten für nichtlineare Josephson-Kontaktc. Ein nichtlinearer Josephson-Kontakt ist durch Aj<L gekennzeichnet, wobei Aj die Josephson-Eindringtiefe bedeutet und L die in Richtung des Stromflusses durch den Kontakt gemessene Länge des Kontakts angibt. Beide Parameter können bekanntlich innerhalb gewisser Grenzen frei gewählt werden.

Die Kurvenzüge der Fig. 13 und 14 des genannten Artikels sind in den F i g. 1 und 2 der vorliegenden Anmeldung teilweise wiedergegeben. In beiden Figuren wurden die Linie I₁.. und die Punkte Hi, H₂ zur Erläuterung des obenerwähnten Umschaltvorganges hinzugefügt. Bei einem Aibeitsstrom /_v und einem Magnetfeld H\ ist der Arbeitsstrom kleiner als /,„„, (Punkt 10) und der Kontakt befindet sich infolgedessen in dem Zustand mit v=0. Wird nun das Magnetfeld auf einen Wert H₂ erhöht, so übersteigt der Arbeitsstrom den kritischen

Strom I_mu (Punkt 12) und der Kontakt schaltet in den Zustand v=2//um.

Aus dem Stand der Technik ist es auch bekannt, zum Anlegen eines Magnetfeldes an einen Josephson-Kontakt eine supraleitende Steuerleitung auf einem Isolator anzubringen, der über dem Josephson-Kontakt liegt und den Strom l_c in der Steuerleitung zu verändern, um damit in entsprechendem Maße das angelegte Magnetfeld zu steuern. Bei der Anwendung für Schalt- und Logikzwecke wird der Strom Λ· normalerweise nur zwischen zwei bestimmten Werten verändert, beispielsweise zwischen Null und A₁.

Für logische Anwendungen, beispielsweise die Realisierung der Funktionen UND und ODER, ist die Verwendung von Mehrfachsteuerleitungen vorgeschlagen worden, wobei für jeden logischen Eingang eine Steuerleitung vorgesehen ist; an jede Steuerleitung werden hierbei Ströme der Werte 0 und A_n angelegt, um damit die beiden logischen Zustände darzustellen.

Kontakte mit einer unsymmetrischen Verstärkungskurve wie in F i g. 2 haben sich für logische Anwendungen als besonders vorteilhaft herausgestellt. Ein einziges Josephson-Element mit dieser Eigenschaft kann zur Realisierung von verschiedenen logischen Funktionen herangezogen werden.

Bei der Herstellung und der Verwendung von Logikkreisen mit Josephson-Elementen hat sich nun das Problem ergeben, daß der Einbau von Mehrfach-Steuerleitungen zu einer Verzerrung der Verstärkungskurve führt. Außerdem hat man festgestellt, daß ein Steuerstrom, der an eine Steuerleitung angelegt wird, auf das logische Verknüpfungsglied verschieden wirkt, je nachdem, an welche der einzelnen Steuerleitungen der Stromimpuls angelegt wird, obwohl alle Steuerleitungen über demselben Josephson-Kontakt angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung stellt sich dementsprechend die Aufgabe, ein Josephson-Element mit Mehrfach-Steuerleitungen anzugeben, bei dem gleiche Steuerimpulse zu gleichem Umschaltverhalten des Elements führen, unabhängig davon, an welche der verschiedenen Steuerleitungen sie angelegt werden. Außerdem soll für derartige Elemente die Verstärkungskurve die gleiche sein wie bei einem Element mit nur einer Steuerleitung.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch beschriebene Erfindung gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die hier beschriebene Erfindung geht von der Beobachtung aus, daß das Schaltverhalten eines Kontakts unter anderem durch die Abschirmströme bestimmt wird, die von den Magnetfeldern der Steuerleitungen in dem Kontakt hervorgerufen werden. Die Absciirrmströme sind eine Folge der diamagnetischen Eigenschaften der Supraleiter. Die nach der Aufgabenstellung gewünschte Eigenschaft der Josephson-Elemente läßt sich nun erreichen, wenn die Verteilung der Abschirmströme und die Verteilung des Arbeitsstromes in dem Kontakt im wesentlichen in einem Verhältnis 1 :1 stehen. Dies läßt sich mit Hilfe einer besonderen Formgebung der Kontaktelektroden erreichen.

Josephson-Elemente der geschilderten Art werden mit Vorteil in komplexen logischen Schaltungen eingesetzt; durch das homogene Verhalten der einzelnen Steuerleitungen entfallen dabei spezielle Vorsichtsmaßnahmen und Kompensationseinrichtungen, die bei herkömmlichen Elementen mit Mehrfachsteuerleitungen notwendie sind.

Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand von durch Zeichnungen erläuterten Beispielen beschrieben.
Es zeigt

F i g. 1 die Darstellung einer symmetrischen Verstärkungskurve für einen Josephson-Kontakt,

F i g. 2 eine asymmetrische Verstärkungskurve für einen Kontakt,

Fig.3 die perspektivische Darstellung eines Josephson-Elements in einem Prüfkreis zur Untersuchung der Auswirkungen von Strompfadänderungen auf die Verstärkungskurve,

Fig.4A—4D Verstärkungskurven, die mittels des Prüfkreises von F i g. 3 erhalten wurden,
Fig.5 eine vergrößerte Perspektivdarstellung eines Josephson-Elcments. Anhand dieser Zeichnung wird das Fließen des Arbeitsstromes und der Abschirmströme in einem Josephson-Kontakt erläutert,

Fig.6 die Perspektivdarstellung eines Supraleiters; sie dient zur Erläuterung des Stromflusses m einem Supraleiter ohne Grundplatte,

F i g. 7A + 7 B ein Paar von Supraleitern mit Blickrichtung von oben bzw. von unten. Diese Figuren veranschaulichen die Auswirkung einer Grundplatte auf den Stromfluß und das Auftreten von Abschirmströmen,

F i g. 8 einen Querschnitt durch einen Teil der F i g. 5; sie veranschaulicht, wie der Abschirmstrom den Arbeitsstrom durch den Kontakt entweder verstärkt oder abschwächt,

Fig.9 + 10 Aufsichten auf supraleitende Schichten; sie zeigen die charakteristischen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung,

Fig. UA, B+ C ein Josephson-Element von oben, von der Seite und von unten; sie stellen eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung dar,

Fig. 12 einen Längsschnitt eines Josephson-Elements; diese Figur stellt ein weiteres Merkmal der Erfindung dar,

Fig. 13 die Perspektivdarstellung eines Josephson-Elements mit einer hinzugefügten supraleitenden Schicht,

Fig. 14 eine Aufsicht eines Josephson-Elements mit den Merkmalen der F i g. 10,11 und 12.

Vor der eigentlichen Beschreibung der Erfindung soll anhand eines Beispiels betrachtet werden, welchen Einfluß die Geometrie der Steuerstrompfade und der Arbeitsstrompfade auf die Verstärkungskurve ausüben. Außerdem wird der Einfluß der Steuerströme auf die Verstärkungskurve untersucht. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird am Beispiel eines Logikkreises mit Josephson-Elementen betrachtet, welche Mehrfachsteuerleitungen und eine asymmetrische Verstärkungskurve besitzen. Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf derartige Elemente mit asymmetrisehen Verstärkungskurven und auch nicht auf die sogenannten in-line-Konfigurationen der hier betrachteten Elemente beschränkt.

Die F i g. 1 und 2 wurden schon besprochen. Eine genauere Erläuterung der Theorie dieser Diagramme wird in dem genannten Artikel von Matisoo gegeben. Dort wird auch erklärt, daß asymmetrische Kurven bei der Verwendung einer Grundplatte auftreten. Dieser Punkt wird im folgenden noch näher erläutert.

In F i g. 3 ist der verwendete Prüfkreis dargestellt. Die Verstärkungskurven, die sich ergeben, wenn die Pfade des Steuerstromes /_c und des Arbeitsstromes I_g verändert werden, sind in den F i g. 4A bis 4C wiedergegeben. Der Schaltkreis der F i e. 3 umfaßt eine suoraleitende

Grundplatte 14, welche als MX -Schicht bezeichnet ist, (da sie die erste oder Grundschicht des Schaltkreises ist), eine mit Ml bezeichnete supraleitende Schicht 16, die von Mi durch einen nicht gezeigten Isolator getrennt ist, eine mit M3 bezeichnete supraleitende Schicht 18, die ebenfalls von M1 durch einen nicht gezeigten Isolator getrennt ist und schließlich die mit M 4 bezeichneten supraleitenden Schichten 22 und 24, welche über der Kontaktschicht 20 liegen und von Ml, M 2 und M 3 durch einen nicht gezeigten Isolator getrennt sind.

Der Josephson-Tunnelkontakt 20 umfaßt die sich überlappenden Teile der Schichten 18 und 16, die die Elektroden des Kontakts darstellen und außerdem eine dazwischenliegende Tunnelgrenzschicht, typischerweise ein Oxid von ungefähr 1 bis 5 nm Dicke. Die Verstärkungskurven der F i g. 4A bis 4D wurden mit dem Element nach F i g. 3 erhalten. Die Unterschiede zwischen den vier Verstärkungskurven ergeben sich durch das Anlegen des Arbeitsstroms oder des Steuerstroms an verschiedene Pfade.

Die Verstärkungskurve nach F i g. 4A wurde erhalten, indem der Arbeitsstrom l_g zwischen den Endpunkten A der Schicht 16 und D der Schicht 18 angelegt wurde, der Steuerstrom /_c jedoch nur in Schicht 24. Zur Aufnahme der F i g. 4B wurde I_g zwischen den Punkten A und D und Ic nur an Schicht 22 angelegt In Fig.4C lag l_g zwischen den Punkten B und C, der Strom /_c floß nur durch Schicht 24. F i g. 4C wurde durch Anlegen von I_g an die Punkte B und C und von I_c nur an Schicht 22 erhalten.

Zur qualitativen Erläuterung des Einflusses der Geometrie der Supraleiter auf die Verstärkungskurve sei nun das in F i g. 5 gezeigte Element herangezogen. Es handelt sich bei diesem Beispiel um ein nichtlineares Josephson-Element des Typs »in-line« (d. h. die Steuerleitungen liegen parallel zu den Streifenelektroden). Das Element ist aus den supraleitenden Schichten 26,28,30, 32 und 34 aufgebaut. Der besseren Anschaulichkeit halber ist das Element vergrößert und auseinandergezogen dargestellt. In Wirklichkeit sind die supraleitenden Schichten jedoch nur durch nicht gezeichnete Isolationsschichten voneinander getrennt. Eine Ausnahme hiervon bildet die M 3-Schicht 30 und die M2-Schicht 28, welche im Bereich des Tunnelkontakts 38 nur durch eine ungefähr 5 nm dicke Tunnelgrenzschicht 36 getrennt sind- Der Arbeitsstrom wird an die Schichten M 3 und M 2 angelegt und fließt durch den Kentakt. Erreicht die Stromdichte durch den Kontakt die Josephson-Stromdichte I₁ oder übersteigt sie diese, so schaltet der Kontakt vom Zustand v=0 in den Zustand v— 2 Δ.

Die Stromdichte wird nicht nur durch den angelegten Arbeitsstrom bestimmt, sondern auch durch das Magnetfeld, das den Tunnelkontakt durchsetzt. In F i g. 6 läßt sich ein Strom /, der durch einen Supraleiter 54 fließt, analog zu Elektronen in einer leitenden Platte vorstellen. Diese stoßen einander ab und die Elektronen bewegen sich hauptsächlich in der Nähe von einander gegenüberliegenden Kanten der Platte. Die Stromlinien in einem Supraleiter verhalten sich in ähnlicher Weise. Die gestrichelten Linien in Fig.6 zeigen, wie der Stromfluß in einem Supraleiter 54 auf die Kanten 50 und 52 begrenzt ist.

Wird jedoch ein zweiter Supraleiter in der Nähe des stromführenden ersten Supraleiters angebracht, so verteilt sich der Strom in diesem im wesentlichen gleichmäßig über eine dünne Hautschicht auf seiner Unterseite. Dieser Sachverhalt ist in den Fig.7A und 7B dargestellt welche zwei Ansichten desselben Elements vermitteln. Die F i g. 7A zeigt eine perspektivische Darstellung von einem Blickpunkt unter den Supraleitern 60 und 62, F i g. 7B ist eine Aufsicht auf dieselben beiden Supraleiter. Die Kanten des Supraleiters 60 sind in beiden Figuren mit A, B, C und D gekennzeichnet, um übereinstimmende Teile in beiden Figuren besser hervortreten zu lassen.

Wird ein Strom / an den Supraleiter 62 angelegt, so verteilt sich infolge der Anwesenheit von Supraleiter 60

ίο der angelegte Strom /gleichmäßig in der Oberflächenschicht auf der Unterseite des Supraleiters 62; dies ist durch die gestrichelten Stromlinien längs der Unterseite von 62 in F i g. 7A dargestellt. Außerdem ruft der an den Supraleiter 62 angelegte Strom oder genauer dessen Magnetfeld einen Abschirmstrom ;_s hervor, der dann in der Oberflächenschicht des Supraleiters 60 fließt. Diese Erscheinung ist der diamagnetischen Eigenschaft eines Supraleiters in kleinen Feldern zuzuschreiben. Der Supraleiter baut einen zirkulierenden Abschirmstrom zur Abschirmung des Magnetfeldes auf und erhält somit den Wert 0 für sein inneres Magnetfeld.

Der Abschirmstrom ist in der nach oben weisenden Oberfläche des Supraleiters 60 auf ein Gebiet beschränkt, welches im wesentlichen gleich der nach unten weisenden Oberfläche des Supraleiters 62 ist; der Strom in diesem Gebiet fließt entgegengesetzt zum angelegten Strom im Supraleiter 62. Dieser Strom fließt über die Kante, entlang der nach unten weisenden Oberfläche und zurück über die andere Kante und bildet somit eine geschlossene Schleife. Auf der Unterseite des Supraleiters 60 verteilt sich der Strom gleichmäßig über die Oberfläche.

Anhand der F i g. 5 kann nun erklärt werden, weshalb die Grundplatte und die entstehenden Abschirmströme ein Element mit einer asymmetrischen Verstärkungskurve ähnlich der in F i g. 2 ergeben. Hierbei wird angenommen, daß nur ein einziger Steuersupraleiter 32 vorhanden ist (d. h. der Steuerleiter 34 ist weggelassen), dessen Breite gleich oder größer ist als die Schicht 28.

Der Arbeitsstrom l_g fließt zwischen den Punkten A und B längs des folgenden Pfades: Gleichmäßig verteilt längs der Unterfläche von M 3 vom Punkt A nach C"; durch den Tunnelkontakt in der Nähe der Kante C zur Kante C" auf der Unterfläche von M 2; gleichmäßig verteilt längs der Unterfläche der Schicht M 2 von C" nach B. Da es sich wie gesagt um einen nichtlinearen Kontakt handelt d. h. λ,< L, fließt der bei C" in den Kontakt eintretende Superstrom hauptsächlich in der Nähe der Kante C durch die Tunnelgrenzschicht. Außerdem wid hier angenommen, daß die Geometrie von M 3 und M 2 die gleichmäßige Verteilung des Stromes i_g längs der Breite W beim Durchgang durch den Tunnelkontakt in keiner Weise behindert Eine Darstellung des Stromflusses I_g ist in F i g. 8, dem Querschnitt durch die Schichten 30,28 und 36 enthalten.

Bei nicht beaufschlagter Steuerleitung 32 ist das äußere Magnetfeld null und der zum Umschalten des Elements benötigte Arbeitsstrom ist Ig₀.

Nun soll ein positiver Steuerstrom + /_can die einzelne Steuerleitung 32 angelegt werden (ein Steuerstrom mit gleicher Richtung wie I_g wird als positiver Steuerstrom gezählt). Wie beschrieben ruft der Steuerstrom einen Abschirmstrom in M 3 und M 2 hervor. Ist die Schicht 32 mindestens so breit wie die breitere der Schichten M 2 und M 3, so verteilt sich der Abschirmstrom gleichmäßig über die Breite von M2 und Ai3, während er entlang deren obere und untere Oberflächen fließt Der Fluß des Abschirmstroms i, der von einem positiven /_c

hervorgerufen wird, ist ebenfalls in F i g. 8 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, daß der Abschirmstrom und der Arbeitsstrom in gleiche Richtung durch den Tunnelkontakt längs der Kante C fließen. Folglich wird die Josephson-Stromdichte j\ bei einem kleineren Wert l_f erreicht als es der Fall ist, wenn I₁- gleich null, d. h. wenn kein Abschirmstrom fließt, der die Wirkung von Ig verstärkt. Für einen Steuerstrom + /_c- ist damit der Arbeitsstrom, der zum Umschalten des Elements benötigt wird, gleich Ig₊, wobei l_g+ < Ig₀.

Bei einem negativen Steuerstrom — l_c wirkt der Abschirmstrom dem Arbeitsstrom entgegen, der den Kontakt längs der Kante C durchfließt. Um die Josephson-Stromdichte zu erreichen, wird somit ein größerer Wert von ig genötigt. Der zum Umschalten des Kontakts erforderliche Wert von I_g ist dann /_y_, wobei l_e- > Ig₀. Innerhalb gewisser Grenzen führt das Anwachsen eines positiven I_c zu einer Verringerung von /,„„», und umgekehrt ein Anwachsen des negativen /_c zu einer Vergrößerung von l_m,x. Es ergibt sich dann die relativ glatte Verstärkungskurve von Fig. 2, welche bezüglich H=O, /_c = 0 asymmetrisch ist. (Ersichtlich kann auf der Abzisse entweder H oder l_c aufgetragen werden, um die Verstärkungskurve zu erhalten.)

Anders liegen die Verhältnisse, wenn der Arbeitsstrom längs der Breite Wanders verteilt ist als der Abschirmstrom; in diesem Fall ergibt sich kein gleichmäßiges Anwachsen oder Abnehmen der Verstärkungskurve. Im obigen Beispiel sind beide Ströme gleichmäßig längs der Breite verteilt, wenn sie durch den Tunnelkontakt fließen. Diese Gleichverteilung über die Breite wird als 1 :1-Verteilungsverhältnis des Arbeitsstroms zum Abschirmstrom bezeichnet. Bei fehlender Grundplatte und bei einer Verteilung des Arbeitsstromes zur Hälfte auf die eine und zur anderen Hälfte auf die andere Kante, wie es in Verbindung mit F i g. 6 beschrieben wurde, müßte sich der Abschirmstrom in genau der gleichen Weise verteilen, damit sich ein 1 :1-Verteilungsverhältnis zwischen dem Abschirm- und dem Arbeitsstrom ergäbe.

Anhand der F i g. 5 ist nun leicht zu sehen, daß der Übergang von einem Josephson-Element mit einer einzelnen Steuerleitung und einer asymmetrischen Verstärkungskurve zu einen Josephson-Element mit Mehrfachsteuerleitung und einer asymmetrischen Verstärkungskurve sich nicht darauf beschränken kann, einfach zusätzliche Steuerleitungen anzubringen. Jede der beiden Steuerleitungen 32 und 34 ist weniger breit als die Supraleiter 30 und 28. Damit werden die Abschirmströme auf der nach oben gerichteten Oberfläche der Supraleiter 28 und 30 auf eine Breite beschränkt, die enger ist als W. Dies führt zu einer Verzerrung der Verstärkungskurve.

Ein logisches Verknüpfungsglied mit Mehrfachsteuerleitungen, bei denen ein Stromfluß in einer beliebigen Steuerleitung dieselbe Auswirkung auf das Verknüpfungselement hat wie ein gleicher Strom in einer beliebigen anderen Steuerleitung läßt sich herstellen, wenn die Geometrie des Elements so geändert wird, daß sich ein 1:1-Verteilungsverhältnis als Funktion der Breite für den Arbeits- und den Steuerstrom ergibt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl der Abschirmstrom als auch der Arbeitsstrom gleichmäßig Ober die Breite des Tunnelkontakts verteilt Es ist jedoch hervorzuheben, daß die Erfindung nicht auf derartige gleichmäßige Verteilungen längs der Breite beschränkt ist

Ein Josephson-Tunnelkontakt besitzt im wesentlichen zwei Eigenschaften, welche die gleichförmige Verteilung des Arbeits- und des Steuerstromes beeinträchtigen. Das erste betrifft die Gestalt der Supraleiter in der Nähe des Kontakts, wobei die Ausgestaltung der Breite des Kontakts ausschlaggebend ist. Das zweite Merkmal betrifft die Breite des Abschirmstroms, der von den angelegten äußeren Magnetfeldern hervorgerufen wird.

Der Einfluß der Elektrodenform und -breite auf die Stromverteilung ist in Fig. 9 dargestellt. Die supraleitende Schicht M 3 besteht aus einem relativ engen Teil, der sich zu einem breiten Teil aufweitet. Letzterer besitzt eine Breite, welche gleich der Breite des Kontakts 90 ist. Der Strom l_g verteilt sich entsprechend den in der Figur angegebenen Pfeile. Die Frage, ob der Strom beim Durchgang durch den Tunneikontakt gleichförmig über die Breite Wy verteilt ist, hängt von der Länge h (dem Abstand des engen Teils von dem Kontakt) und der größeren der Entfernungen Wi und W2 ab. Ist Wj größer, so ist dieser Abstand notwendigerweise der bestimmende Faktor. Man hat festgestellt, daß sich eine genügend gleichförmige Verteilung einstellt, wenn die Länge des breiten Elektrodenteils (mit einer Breite Wj oder größer) mindestens gleich dem Abstand (in Richtung der Breite gemessen) des engen Teils von der am weitesten entfernt liegenden Kante des Tunnelkontakts ist. Die Elektrode M 3 wird also dann eine gleichförmige Verteilung ergeben, wenn gilt: /1 > W₂ und /1 > Wi. Der Supraleiter M 2 ergibt dann eine ausreichend gleichförmige Stromverteilung, wenn /;>IV3 und k>W*. In Fig. 10, welche eine verschiedene Ausgestaltung von M 3 darstellt, ergibt die Schicht M 3 eine ausreichend gleichförmige Stromverteilung, wenn A 2: Wj. In beiden F i g. 9 und 10 wird vorausgesetzt, daß eine Grundplatte vorhanden ist.

Das zweite obenerwähnte Merkmal, welches die Stromverteilung beeinflußt, ist die Breite des Abschirmstroms, der von den angelegten äußeren Magnetfeldern hervorgerufen wird. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Magetfelder durch Ströme in Steuerleitungen erzeugt, welche zu den Supraleitern des Tunnelkontakts benachbart angeordnet sind. In diesem Fall betrifft das besprochene zweite Merkmal die Breite der Steuerleitungen. Das Problem von nicht gleichförmigen Stromverteilungen, das durch relativ enge Steuerleitungen hervorgerufen wird, läßt sich durch eine andere Formgebung der Supraleiter Ai 2 und M 3 lösen, welche den Kontakt aufbauen; hierdurch wird erreicht, daß die Abschirmströme, die als Folge der Ströme in den Steuerleitungen erzeugt werden, in dem Tunnelkontakt gleichmäßig verteilt sind.

Die Fig. ΠΑ, ΠΒ und HC zeigen die M2- und M 3-Schichten in Ansichten von oben, von der Seite und von unten. Die Einschnürung des Abschirmstromes auf die Breite W_c wird von einem äußeren Magnetfeld hervorgerufen, das über der Breite W_c angelegt ist Dieses Magnetfeld kann von einem Strom hervorgerufen sein, welcher durch eine Steuerleitung mit einer Breite von ungefähr W_c fließt In allen drei Figuren ist der Abschirmstrom durch gestrichelte Linien dargestellt Der Abschirmstrom, der in der nach oben weisenden Oberfläche fließt (Fig. HA), ist auf eine Breite beschränkt die ungefähr gleich ist der Breite W₀ der Steuerleitung. Wenn der Abschirmstrom Ober die Kanten von M 2 und M 3 und längs der nach unten weisenden Oberfläche fließt (F i g. 1 IC), ist seine Begrenzung nicht mehr scharf und er verteilt sich in der angegebenen Weise.

Der Abschirmstrom fließt längs der Kanten A und B durch den Tunneikontakt (Fig. 11B). Aus Fig. HC ist

ίο

ersichtlich, daß der Strom, der durch die Kante B fließt, dann gleichförmig verteilt ist, wenn /, > W, und /₂> W₂. Solange also die Strompfade des Abschirmstromes auf beiden Seiten der Kontaktkante B ausreichend lang sind und nicht der Steuerleitung gegenüberliegen, wird der Abschirmstrom gleichförmig verteilt sein.

Der durch die Kante A des Tunnelkontakts fließende Abschirmstrom ist auf die Breite W_c beschränkt. Es ist jedoch möglich, den vom Abschirmstrom durchflossenen supraleitenden Pfad so zu gestalten, daß der Weg des Abschirmstroms in der Nähe des Tunnelkontakts nicht mehr dem begrenzenden Einfluß des äußeren Magnetfelds unterliegt, so daß auch er beim Durchgang durch die Kante A gleichförmig verteilt ist. Dies kann erreicht werden, indem M 3 über einen Isolator /₂ ausgedehnt wird, der seinerseits über M 2 liegt. Eine Seitenansicht dieser Konfiguration ist in F i g. 12 gegeben. Der vom Abschirmstrom gefolgte Pfad ist wieder durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Kante A des Tunnelkontakts liegt nun benachbart zu supraleitenden Pfaden, welche nicht dem einschnürenden Einfluß des Abschirmstroms unterworfen sind, der vom Magnetfeld der Steuerleitung erzeugt wird. Die Deckfläche von M 2 wird infolge der Erweiterung des Supraleiters M 3 von dem Magnetfeld abgeschirmt. Die Unterseite des verlängerten Teils vom Supraleiter M 3 ist ebenfalls nicht dem einschnürenden Einfluß des Magnetfeldes unterworfen. Unter der Annahme, daß die Verlängerung von Ai 3 eine Länge /_c besitzt, daß ihre Breite gleich oder größer ist als Wj und daß alle anderen Dimensionen entsprechend Fig. 1 IC gewählt sind, verteilt sich der Abschirmstrom gleichförmig über die Kante A, wenn die Bedingung /_e > IV, gewahrt ist.

Aus den im Zusammenhang mit F i g. 11 genannten Gründen wird sich der Abschirmstrom ebenfalls gleichförmig über die Kante B verteilen. Hier ist jedoch zu beachten, daß die Oberseite von Ai 2 nicht mehr dem einschnürenden Einfluß des von der Steuerleitung hervorgerufenen Abschirmstromes ausgesetzt ist und daß damit Ai 2 auch nicht der Bedingung /|> ΜΊ genügen muß. Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn auch M 2 auf die linke Seite ausgedehnt und damit die Geometrie des Kontaktes symmetrisch gemacht wird. In diesem Fall braucht der Tunnelkontakt nicht auf einer Kante ausgebildet zu werden, wodurch sich die Herstellung eines guten Tunnelkontakts vereinfacht.

Eine andere als die in Zusammenhang mit F i g. 11 besprochene Möglichkeit besteht darin, eine zusätzliche supraleitende Schicht und eine zusätzliche Isolierschicht zwischen den Schichten M 2, M 3 des Kontakts und der Erzeugur.gseip.richtur.g für das Magnetfeld, d.h. die Steuerleitung M 4 anzubringen. Diese Lösung ist in Fig. 13 dargestellt, worin die Λ/2-Schicht 110 und die M3~Schicht 112 durch eine zusätzliche supraleitende Schicht 118 von den Steuerleitungen 114 und 116 getrennt sind. Zwischen allen supraleitenden Schichten befinden sich außer an den Kontaktpunkten und beim Josephson-Tunnelkontakt die bekannten Isolationsschichten, die hier nicht gezeichnet sind. Bei dieser Anordnung erzeugen die Ströme durch die engen Steuerleiter 114 und 118 Magnetfelder, die ihrerseits Abschirmströme in der Schicht 118 hervorrufen. Diese Abschirmströme sind in der Oberseite der Schicht 118 in ihrer Ausdehnung begrenzt auf der Unterseite von Schicht 118 können sie sich jedoch ausbreiten. Die Abschirmströme in 118 rufen ihrerseits in den Schichten Ai 2 und Ai 3 Abschirmströme hervor. Die Abschirmströme in Ai 2 und Ai 3 sind nun aber nicht mehr auf die beschränkte Breite der Steuerleitungen 114 und 116 eingeschnürt.

Ein spezielles Beispiel eines logischen Josephson-Elenients mit drei Eingängen (drei Steuerleitungen) und den obenerwähnten Eigenschaften ist in Fig. 14 gegeben. Seine Schichten sind in Übereinstimmung mit der obigen Erklärung mit Ai 2, Ai 3, Ai 4 und /₂ bezeichnet. Eine nicht gezeichnete Grundplatte liegt unter der gesamten Struktur. Die Dimensionen sind in μητι angegeben. Nach der Darstellung in der Figur ragt die Schicht Ai 3 152 μπι über die Kante des Tunnelkontakts hinaus. Die Isolierschicht h trennt M 2 von Ai3, außer im Bereich des Tunnelkontakts. Die Schichten Ai4 und AiI (Grundplatte) sind von den anderen supraleitenden Schichten durch zusätzliche Isolierschichten herkömmlicher Bauart getrennt.

Ein nach der oben angegebenen Geometrie und entsprechend den bekannten Herstellungsmethoden gebautes Element, das parallel zu einem Widerstand R - 0,4 Ohm liegt, besitzt die folgenden Parameter:

Josephson-Eindringtiefe = 25,4 μΐη; 3 (d. h. nichtlinearer Kontakt); Josephson-Stromdichte = 250 A/cm²; maximaler Josephson-Strom im Magnetfeld 0 = 17,5 mA.

Bei einem Arbeitsstrom von ^= 14,8 mA und einem Strom in der Steuerleitung von 7,2 mA schaltet das EIement in den Zustand v+0 um und erzeugt damit einen Ausgangsstrom von /_our = 7,2 mA.

Die Formgebung der Schichten Ai 2 und Ai 3 entsprechend F i g. 14 erlaubt eine 1 :1 -Verteilung des Arbeitsund der Abschirmströme durch den Kontakt. Die Schicht Ai 2 umfaßt drei Teile (die zwar zusammenhängen, jedoch zum Zweck der Beschreibung individuelle Bezeichnungen tragen). Der erste Teil, 122 bildet eine Elektrode des Tunnelkontakts 120. Der zweite Teil 124 liegt benachbart zum ersten und stellt ein Rechteck dar.

Der dritte Teil, 126 besitzt in Querrichtung zum Stromfluß eine geringere Breite als der zweite Teil und geht in relativ großer Entfernung vom Tunnelkontakt in den zweiten Teil 124 über. Der rechteckige Teil besitzt eine Breite (165 μπι), die mindestens ebensogroß ist wie die Breite (152 μηπ) des Kontakts. Weiterhin ist der Abstand (203 μιη) des Vereinigungspunktes 128 der Teile 126 und 124 mindestens ebensogroß wie der in Breitenrichtung gemessene Abstand dieses Punktes 128 von der am weitesten entfernt liegenden Ecke des Rechtecks (165 μπι).

Die Schicht Ai 3 besteht aus drei Teilen 130,132,134, welche ebenfalls entsprechend den oben beschriebenen Bedingungen gestaltet ist. Zur Schicht Ai 3 gehört außerdem ein Vorderteil 136, der in den ersten Teil, 130, übergeht und sich vom Kontakt in entgegengesetzter Richtung zum zweiten Teil 132 erstreckt. Der vierte Teil 136 liegt isoliert über dem rechteckigen Teil von Schicht Ai2.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Josephson-Element mit einem Josephson-Tunnel-Kontakt über einer supraleitenden Grundplatte, bestehend aus einer ersten und einer zweiten, durch eine dünne Isolierschicht voneinander getrennten supraleitenden Elektroden zur Zuführung eines Arbeitsstroms und mindestens einer isoliert über dem Kontakt angeordneten Steuerleitung, die induktiv mit dem Kontakt gekoppelt ist und ein Magnetfeld erzeugt das seinerseits im Kontakt Abschirmströme hervorruft dadurch gekennzeichnet, daß die vom Magnetfeld induzierten Abschirmströme (i_s) im Kontakt dieselbe Stromverteilung besitzen wie der Arbeitsstrom (I_g) durch den Kontakt

2. Josephson-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Arbeitsstrom (I_g) und Abschirmstrom (U) transversal zur Stromrichtung eine gleichmäßige Stromverteilung im Kontakt aufv/eisen.

3. Josephson-Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß mindestens eine der Kontaktelektroden (¹M₂, M₃; F i g. 14) verschieden breite Abschnitte (124, 126; 132, 134) aufweist und daß die direkt unter den Steuerleitungen liegende erste Elektrode [M₃) über den Kontaktbereich des Josephson-Elements hinaus verlängert ist und einen Teil der zweiten Elektrode (M₂) überdeckt, wobei zwischen dem verlängerten Teil der ersten Elektrode (M₃) und der zweiten Elektrode (M₂) eine Isolierschicht (Ji) angebracht ist.

4. Josephson-Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden (M₂, M₃) über den Konaktbereich des Josephson-Elements hinaus verlängert sind.

5. Josephson-Element nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (I]) des über den Josephson-Konakt hinausreichenden Elektrodenteils größer oder gleich der Breite (Wj) des Tunnelkontakts ist.

6. Josephson-Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kontaktelektroden (M₂, M₃; Fig. 14) verschieden breite Abschnitte (124, 126; 132, 134) aufweist, und daß zwisehen den Steuerleitungen (114, 116) und den Kontaktelektroden (M₂, M₃) eine zusätzliche, isoliert liegende, supraleitende Schicht (118) eingefügt ist.

7. Josephson-Element nach einem der Ansprüche

2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß seine Elektroden (M₂, M₃; F i g. 14) drei verschiedene Teilbereiche umfassen, nämlich einen ersten (122, bzw. 130), den Tunnelkontakt bildenden Teil, einen daran anschließenden zweiten Teil in Form eines Rechtecks (124, bzw. 132) und einen an das Rechteck anschließenden dritten Teil (126, bzw. 134), der bezüglich des Rechtecks eine quer zur Stromrichtung verminderte Breite aufweist und daß fur die Abmessungen der Elektroden folgende Bedingungen gelten: