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Supraleitende Quanten-Interferenz-Einrichtung
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Die Erfindung bezieht sich auf supraleitende Schaltkreise und insbesondere
auf einen neuen Aufbau einer supraleitenden Quanten-Interferenz-Einrichtung (im
Folgenden SQUID genannt, Superconducting Quantum Interference Device). Die Erfindung
ist insbesondere bei der Verwendung in Josephson-Schaltkreisen geeignet.
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Es sind frühere (nicht vorveröffentlichte) SQUID-Aufbauten mit schwachleitenden
Verbindungen zur Verwendung in Josephson-Schaltkreisen bekannt. Die vorliegende
Erfindung betrifft ebenfalls eine SQUID-Einrichtung mit ähnlicher Verwendung, jedoch
mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich der erstgenannten. Der bekannte Stand
der Technik hinsichtlich beider Einrichtungen ist wie folgt: Im Stand der Technik
sind supraleitende Josephson-Logik- und Speicherschaltkreise bekannt, bei denen
das aktive Schaltelement oder Gatter ein herkömmlicher Josephson-Tunnel-Übergang
ist. Der #osephson-dbergang enthält zwei aufeinandergeschichtete Schichten aus supraleitendem
Material mit einer zwischen ihnen liegenden Isolierschicht, die ausreichend dUnn
ist, um den Josephson-Tunnel-Effekt zu unterstützen.
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Bekanntlich leiden die Josephson-Tunnel-Übergänge unter vielen Nachteilen.
Während supraleitende Materialien, wie z.B. Blei, Indium und Zinn oder Legierungen
davon geeignete Supraleitungseigenschaften aufweisen, verursachen diese Materialien
Schwierigkeiten bei der Herstellung
von supraleitenden, integrierten
Schaltkreisen, bei denen feine Leitungsverbindungen verwendet werden. Wenn übliche
lithographische Prozesse zur Herstellung solcher Schaltkreise angewandt werden,
soneigen die Metallschichten dazu, sich zu bewegen und während des Erwärmens auf
Temperaturen größer als Kügelchen zu bilden, wobei diese Temperaturen normalerweise
benötigt werden, um die Herstellungsschritte von gedruckten Schaltkreisen durchzuführen.
Herstellungstechniken für gedruckte Schaltkreise, die teilweise diese Schwierigkeiten
ausräumen, sind komplizierter als eher konventionelle Herstellungstechniken, die
gegenwärtig mit hoher Ausbeute integrierte Schaltkreise konventionellerer Bauart,
wie z.B. Halbleiterschaltkreise, hervorbringen.
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Anstelle der erwähnten supraleitenden Metalle mit relativ niedrigem
Schmelzpunkt wurde Aluminium als Supraleiter verwendet, um das Problem zu überwinden,
jedoch besitzt Aluminium eine wesentlich niedrigeraSupraleitungsübergangstemperatur
als beispielsweise Blei und erfordert daher mehr Energie, um die Einrichtungen zu
kühlen.
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Ein bekannter, herkömmlicher Josephson-Tunnel-fibergang benötigt eine
ausreichend dünne (5 bis 30 Angström), isolierende Schicht, um den Josephson-Tunnel-Effekt
aufrechtzuerhalten. Bei Anwendung der heutigen Herstellungstechniken für integrierte
Schaltkreise ist es außerordentlich schwierig, derart dünne, isolierende Schichten
mit gleichförmiger Dicke herzustellen. Es ist bekannt, daß der Nullspannungs-Josephson-Strom
durch den Tunnelübergang stark von der Dicke der Durchtunnelungs-Isolierschranke
abhängt, wobei diese Abhängigkeit mindestens so stark ist wie eine Exponentialfunktion.
Folglich verursachen geringfügige Veränderungen in der Schrankendicke große Veränderungen
des Nullspannungs-Josephson-Stromes. Hieraus resultiert der unerwünschte Effekt
von Josephson-Übergängen, daß sie große Variationen der Eigenschaften aufweisen,
die die Ausbeute von integrierten Schaltkreisen, die solche Elemente verwenden,
ungünstig beeinflussen.
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Ein zusätzlicher Nachteil des #osephson-TunneI-Übergangs liegt darin,
Pseudodaß fehlerhafte, uneriünschte/Resonanzzustinde auftreten können, die dazu
tendieren, den gewünschten Betrieb des Überganges zu unterbrechen.
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Zur Lösung dieses Problemes wenden bekannte Techniken eine kritische
Steuerung der dimensionsmäßigen Parameter und Formen der Übergänge an, was nicht
wünschenswerte, komplexe Fabrikationstechniken erfordert.
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Zusätzlich wurden Verfahren zur Herstellung von Niob-Niob Pentoxid-Ni#b-Tunnel-Ühergängen
entwickelt, wobei jedoch solche Übergänge bei Speicher-oder Logikschaltkreisen bisher
noch nicht angewandt wurden. Es wurde erkannt, daß, obwohl solche Übergänge hochschmelzende
supraleitende Materialien verwenden und daher nicht unter den oben im Zusammenhang
mit den Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt erläuterten Nachteilen leiden, ein
extrem schwieriges Herstellungsverfahren benötigt wird. Darüber hinaus leiden derartige
Übergänge unter den oben im Zusammenhang mit den Josephson-Tunnel-Übergängen beschriebenen
Nachteilen.
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Es wurde geglaubt, daß bisher Josephson-Tunnel-Übergänge als aktives
Schaltelement für supraleitende Logik- und Speicherschaltkreise verwendet oder als
solche angesehen wurden. Obwohl der #osephson-Tunnel-Übergang eine ausreichende
Empfindlichkeit bei der Steuerung des kritischen Stromes mittels darüberliegender
Steuerleitungen aufweist, ist es wünschenswert, die Steuerungsempfindlichkeit des
Schaltelementes weiter zu vergrößern sowie den Arbeitsbereich der Schaltkreise,in
denen die Schalter angewandt werden, weiterhin zu verbessern. Der SQUID der vorliegenden
Erfindung behält diesen Vorteil und liefert zusätzlich verbesserte Charakteristiken.
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Zusätzlich ist im Stand der Technik eine Josephson-Einrichtung mit
schwachleitender Verbindung ("weak-link") oder Mikrobrücke bekannt, primär im Zusammenhang
mit der Anwendung von SQUID-MagnetometernO , Eine gute Definition für eine tsschwachleitende
Verbindung11 ist eine Josephson-Einrichtung mit zwei Ebenen aus supraleitendem Material,
die miteinander durch das Aqutualent sines sehr enge, kurzen Drahtes aus supraleitendem
Material verbunden sind0 Wenn der kurze Verbindungsdraht im Durchmesser klein genug
ist1 zeigt drr Verbindungeweg des kurzen Drahtes das, was als Quantenphanamsn bekannt
ist und manchmal als Josephson-Übergangs-Effekt bezeichnet wird0
Derartige
schwachleitende Verbindungen oder Mikrobrücken sind generell schwer herzustellen,
da sie eine teure, zeitaufwendige und detaillierte Konturbildung durch Elektron'strahlätzen
erfordert. Derartige Einrichtungen sind generell planare SQUIDs, bei denen die schwachleitenden
Verbindungen parallel zur Grundebene der Einrichtung liegen, deren Aufbau das Magnetfeld
einer darüberliegenden Steuerleitung unwirksam für die Regelung der kritischen Ströme
machen würde. Obwohl die SQUID-Anordnung von mehreren Mikrobrücken eine große Empfindlichkeit
des kritischen Stromes im Hinblick auf das Magnetfeld liefert, in das der Magnetometer
eingetaucht werden kann, ist eine einzelne, schwachleitende Verbindung im wesentlichen
unempfindlich, durch magnetische Felder zu. steuern, da es der magnetische Fluß
ist, der das Gebiet der schwachleitenden Verbindung, die die Steuerung liefert,
verbindet und da das Gebiet der schwachleitenden Verbindung notwendigerweise außerordentlich
klein ist. Folglich wurden solche planare SQUIDs und einzelne schwachleitende Verbindungen
bisher nicht als nützlich angesehen, das aktive Schaltelement in Josephson-Schaltkreisen
darzustellen, die in praktischen Anordnungen eine magnetische Feldsteuerung über
darüberliegende Steuerleitungen benötigen.
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Weiterhin sind S1#UID-Einrichtungen bekannt, die Josephson-Tunnel-Übergänge
als aktives Schaltelement verwenden. Diese Einrichtungen bilden die Makrospeicher-
und Logikelemente, die ihrerseits die Anwendung von #osephson-Tunnel-Übergängen
als deren aktive Schaltelemente benötigen.
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Das SQUID der vorliegenden Erfindung kann unter anderem in vorteilhafter
Weise als Ersatz für den Josephson-Tunnel-Übergang als aktives Schaltelement zur
Verwendung in Logik- und Speicherschaltkreisen dienen.
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SOUIDs mit schwachleitenden Verbindungen verwendeten supraleitendes
Material in den schwachleitenden Verbindungen. Der kritische Strom solcher Einrichtungen
ist allgemein für die Abmessungen von Einrichtungen, die unter Verwendung von Halbleitertechniken
leicht hergestellt werden können, unerwünscht groß. Dieser unerwünscht große, kritische
Strom führt zu Verlusten der signifikanten zusätzlichen Energie, wenn die Einrichtung
aus dem Null-Spannungs-Zustand herausgeschaltet wird.
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Da es notwendig ist, daß kryogene Schaltkreise einen niedrigen Energieverbrauch
aufweisen, um praktisch verwendbar zu sein, führt dieser zusätzliche Enerqieverbrauch
zu einem Nachteil der früheren Einrichtungen.
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Der große kritische Strom der früheren Einrichtungen könnte dadurch
verringert werden, daß die Einrichtungen näher an der supraleitenden Übergangstemperatur
betrieben werden. Allerdings ist dies nicht von praktischem Nutzen, da der Siedepunkt
von flüssigem Helium (4,20 K) als der günstigste Arbeitspunkt für die meisten supraleitenden
Einrichtungen angesehen wird.
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Die schwachleitenden Verhindun, die aus supraleitendem Metall hergestellt
sind, sind nicht ausreichend "sshwachleitend" für die Verbindungeabmessungen, die
in der Praxis hergestellt werden können, Derartige schwachleitende Verbindungen
führen zu einer verringerten Empfindlichkeit für die angelegten magnetischen Steuerfelder
und zu einer Verringerung des Modulationsgrades des kritischen Stromes durch das
angelegte Magnetfeld. Diese Einschränkung führt zu außerordentlich strengen Anforderungen
an die präzise Steuerung der Strompegel überall in dem Schaltkreis, der solche bekannte
Einrichtungen verwendet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine S#UID-Einrichtung
zu schaffen, die die oben beschriebenen Nachteile der bekannten SQUID-Einrichtungen
vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Patentanspruches
1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zusammengefasst besteht die Erfindung aus einem SQUID mit ersten und
zweiten supraleitenden Schichten, die zueinander übereinanderliegen und mit einer
zwischen ihnen angeordneten Isolationsschicht. Eine Vielzahl von Löchern mit kleinen
Abmessungen durch die Isolationsschicht hindurch, die im wesentlichen mit einem
nicht-supraleitendem Material gefüllt sind, bilden eine Vielzahl von schwachleitenden
Verbindungen (eak-links) zwischen den ersten und zweiten Schichten durch den supraleitenden
Nachbarschaftseffekt.
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Vorzugsweise ist das SQUID auf einer supraleitenden Grundebene aufgebaut
und elektrisch von ihr isoliert. In seiner bevorzugten Ausführungsform liefern eine
oder mehrere Steuerleitungen in einer Ebene, die parallel zur oberen supraleitenden
Schicht des SOUIDs liegen und von ihr elektrisch isoliert sind, die magnetischen
Felder zur Steuerung des kritischen Stromes durch die schwachleitenden Verbindungen
hindurch.
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Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung im Zusammenhang
mit der Anwendung als aktives Schaltelement in supraleitenden Josephson-Schaltkreisen
beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch z.B. als Magnetometer
verwendet werden kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsheispieles
im Zusammenhang mit den Figuren ausführlicher erläutert. Es zeigt: Figur 1 eine
Draufsicht, teilweise als Durchsichtzeichnung, des SQUIDs der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine Querschnittsansicht des SQUIDs von Fig. 1 entlang der Linie 2-2, die
eine idealisierte Konstruktion der Erfindung darstellt; Figur 3 eine Querschnittsansicht
des SQUIDs der vorliegenden Erfindung, die dessen praktische Konstruktion darstellt;
Figur 4 eine detaillierte Querschnittsansicht des SQUIDs der vorliegenden Erfindung,die
in Übereinstimmung mit Fig, 3 aufgebaut ist; Figur 5 eine symbolische, schematische
Darstellung des SQUIDs der vorliegenden Erfindung; Figur 6 ein Diagramm der Strom-Spannungs-Charakteristik
des SQUIDs der vorliegenden Erfindung unter den Bedingungen verschiedener Steuerströme;
Figur
7 ein Diagramm des kritischen Stromes über dem Steuerleitungsstrom für das SQUID
der vorliegenden Erfindung, das dessen #uanten-Interferenz-Effekt zeigt; Figur 8,
die aus den Fig. Ba, Bh und 8c besteht, schematische Diagramme von Speicherschleifen,
die das SQOID der vorliegenden Erfindung als deren aktive Schaltelemente beinhalten;
und Figur 9 ein schematisches Diagramm einer Speicherschleife, die rechts- und linksgäige
SOUID-Schalter sowie ein SQUID-Abtastelement enthält.
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Das SOLID mit mehreren schwachleitenden Verbindungen (multiple weak-link
SQUID) der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise als das aktive Schaltelement
für supraleitende Logik- und Speicherschaltkreise ausgeführt, kann jedoch auch in
anderen Anwendungen, wie z.B. als Magnetometer verwendet werden.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Draufsicht bzw. eine Querschnittansicht
des SQUIDs der vorliegenden Erfindung. Das SQUID besteht aus einer unteren Schicht
10 aus supraleitendem Material und einer darüberliegenden, oberen Schicht 11. Die
Schichten 10 und 11 können aus irgendeinem supraleitenden Material bestehen, Vorzugsweise
wird ein hochschmelzendes Metall, wie z.B. Niob, verwendet, Zwischen den Schichten
10 und 11 ist eine isolieren de Schicht 12 angeordnet. Vorzugsweise hat die isolierende
Schicht 12 eine Dicke von 100 bis 100000 angström In einer praktischen8 kommerziellen
Anwendungsform kann die Dicke der Schicht zwischen 10000 und 50000 Angström liegen0
Es sei darauf hingewiesen, daß jegliches, herkömmliche, sich ablagernde, isolierende
Material von jeglicher vernünftigen Dicke verwendet werden kann. Beispielsweise
könnten zerstäubtes Silicium oder Germanium als kryogene Isolatoren verwendet werden,
wenn die isolierende Schicht ausreichend dick ist, eine Leitung zu verhindern0 Es
wurden Silicium-Dioxid-Schichten mit einer Dicke zwischen 10000 und 3.000 Angström
als kryogene Isolatoren verwendet Chemisch aus der Dampfphase
abgeschiedene
Schichten aus Glas können ebenso verwendet werden wie aufgedampfte Schichten aus
Siliciummonoxid. Vorzugsweise sollte die Isolierschicht 12 so beschaffen sein, daß
sie ein Josephson-Durchtunneln verhindert.
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Erfindungsgemäß sind zwei schwachleitende Verbindungen (weak links)
13 und 14 vorhanden, die die supraleitende Schicht 10 mit der supraleitenden Schicht
11 koppel . Die schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 werden durch Löcher 15 und
16 mit geringem Durchmesser durch die Isolationsschicht 12 gebildet, die mit einem
nicht-supraleitenden Material, wie z.B, normalem Metall, gefüllt sind. Vorzugsweise
wurden hochschmelzende normale Metalle, wie z.B. Molybdän, Tantal und Titan mit
Vorteil verwendet.
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Obwohl das hochschmelzende normale Metall dazu gebracht werden kann,
supraleitende Eigenschaften für die Cooper-Paar-Elektronen aufzuweisen, weist es
für normale, einzelne Elektronen noch einen Widerstand und eine Impedanz auf. Die
Löcher 15 und 16 haben vorzugsweise einen Durchmesser von etwa einem Mikron. Es
sei darauf hingewiesen, daß mehr als zwei schwachleitende Verbindungen durch den
Isolator 12 hindurch vorgesehen werden können, aus weiter unten erläuterten Gründen.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß die Abmessung von einem Mikron beispielhaft
ist, wobei andere Abmessungen (wie Sub-Mikron-Abmessungen) anwendbar sind, die die
schwachleitenden Verbindungseigenschaften aufweisen Ein Gebiet 17 ist dargestellt,
das generell durch die schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 und die Flächen der
oberen und unteren supraleitenden Schichten 10 und 11, die dem Isolator 12 benachbart
sind, begrenzt ist.
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Das totale wirksame Gebiet ist entsprechend der Eindringtiefe der
magnetischen Felder in das supraleitende Material definiert, wobei diese Eindringtiefe
durch die "London-Eindringtiefe A n gegeben ist. Die Steuerung des kritischen Stromes
durch das SQUID hindurch von der Schicht 10 zu der Schicht 11 wird durch den magnetischen
Fluß vorgesehen, der das Gebiet 17 in einer zu beschreibenden Weise durchflutet.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die schwachleitende Verbindung zwischen
dem unteren Supraleiter 10 und dem oberen Supraleiter 11 vorzugsweise
von
der hochschmelzenden normalen Metalifüllung der Löcher 15 und 16 in dem Isolator
12 geschaffen wird. Obwohl das normale Metall, das die schwachleitenden Verbindungen
13 und 14 bildet, nicht eigentlich supraleitend ist, wird es supraleitende Eigenschaften
von den benachbarten Supraleitern 10 und 11 erwerben aus Gründen des allgemein bekannten
Nachbarschaftseffektes. Dieser Effekt auf Copper-Paar-Elektronen ist beispielsweIse
in dem Artikel von G. Deutscher und P.G. DeGennes in dem Aufsatz Supraleiter fähigkeit
(herausgegeben von R.D. Parks und veröffentlicht von Marcel Dekker, New York, 1969,
Band 2) beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, daß der Aufbau von Fig. 2 in gewisser
Hinsicht idealisiert ist.
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Fig. 3, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten wie in Fig.
2 bezeichnen,ist eine praktischere Ausführungsform der Erfindung. Nachdem der Isolator
12 auf die supraleitende Schicht 10 abgelegt ist, wird ein nicht-supraleitendes
Material , wie z.B. normales Metall, über der Isolatorschicht 12 abgelagert, wodurch
die Löcher 15 und 16 gefüllt und die schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 gebildet
werden. Allerdings sei darauf hingewiesen, daß der Aufbau von Fig. 2 mit einem zusätzlichen
lithographischen Schritt hergestellt werden könnte, der eine schwierige Ausrichtung
erfordert.
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Durch Verwendung eines nicht-supraleitenden Materiales, wie normalem
Metall als schwachleitende Verbindungen 13 und 14, und dadurch, daß die Verbindungen
durch den Nachbarschaftseffekt supraleitend werden, werden die schwachleitenden
Verbindungen 13 und 14 nschwächerleitend als wenn sie aus eigentlich supraleitendem
Metall gebildet wären. Zusätzlich ermöglicht die Verwendung von vorzugsweise normalem
Metall, wie z.E. hochschmelzendem Metall für die schwachleitenden Verbindungen und
von Löchern 15 und 16 mit ausreichend kleinen Weiten die Herstellung einer SQUID-Einrichtung
mit einem wünschenswert hohen und vorbestimmten differentiellen Widerstand.
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Generell können die oben erwähnten hochschmelzenden Metalle sowie
auch andere Materialien verwendet werden.
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Der kritische Strom ICo (der weiter unten im Zusammenhang mit Fig.
6 erläutert wird) ist bei dem SOLID mit schwachleitender Verbindung aus normalem
Metall
kleiner als bei der Einrichtung, die supraleitendes Material verwendet, wobei alles
Übrige, wie Abmessungen, Materialien und Arbeitstemperaturen gleich sind. Diese
Verringerung des kritischen#tromes liefert einen wesentlichen Vorteil beim Betrieb
der Einrichtung. Wie oben erläutert, ist der kritische Strom des SQUIDs mit schwachleitender
Verbindung aus supraleitendem Metall bei Abmessungen der Einrichtung, die leicht
hergestellt sind, wesentlich größer. Folglich wird ein Verlust von zusätzlicher
Leistung gefordert, wenn die Einrichtung aus ihrem Null-Spannungs-Zustand herausgeschaltet
wird. Eine Einrichtung mit supraleitenden, schwachleitenden Verbindungen aus Niob
besitzt eine sehr starke Supraleitfähigkeit, wobei die Empfindlichkeit auf extern
angelegte magoetische Steuerfelder gering ist, wodurch der Modulationsgrad des kritischen
Stromes, der durch das Magnetfeld erhältlich ist, reduziert wird, was unten im Zusammenhang
mit Fig. 7 beschrieben wird. Diese geringe Empfindlichkeit führt zu überaus strengen
Anforderungen an die Erzeugung von präzisen Steuerstrompegeln durch den Schaltkreis
hindurch. Die schwachleitenden Verbindungen aus normalem Metall der vorliegenden
Erfindung sind ausreichend schwachleitend, so daß sowohl eine größere Empfindlichkeit
auf externe Magnetsteuerfelder als auch ein niedrigerer kritischer Strom erhalten
wird.
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Die erfindungsgemäße Verwendung von normalem Metall als Material für
die schwachleitende Verbindung führt zu Vorteilen hinsichtlich des Schaltkreisaufbaues.
Das normale Metall und das Verfahren zu dessen Ablagerung kann so gewählt werden,
daß der spezifische Widerstand in steuerbarer Weise groß wird. Beispielsweise können
Molybdän und Titan als auch andere Materialien für diesen Effekt bei Aufsprühablagerung
verwendet werden. Ein langsames Aufsprühen (niedrige Energiedichte) von Titan bei
hohem Argondruck kann beispielsweise verwendet werden, um den spezifischen Widerstand
des aufgebrachten Materiales zu vergrößern. Diese Möglichkeit zur Vergrößerung des
Widerstandes des normalen Metalls kann in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden,
den differentiellen Widerstand der #UID-Einrichtung zu vergrößern, wenn sie nicht
in ihrem Null-Spannungs-Zustand ist. Aus bekannten Gründen der Effizienz der Energieübertragung
ist es vorzuiiehen, den Widerstand der Einrichtungen mit den charakteristischen
Wellenwiderständen der Mikrowellenstreifenübertragungsleitungen vergleichbar zu
machen,
die die Schaltkreisverbindungen bilden.
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Zusätzlich vermindert die Verwendung von schwachleitenden Verbindungen
aus normalem Metall gemäß der vorliegenden Erfindung die Anforderungen an übermäßig
kleine Abmessungen. Da die schwachleitenden Verbindungen aus normalem Metall Oschwächerleitend
sind als die schwachleitenden Verhindungen aus supraleitendem Material, können die
schwachleitenden Verbindung gen aus normalem Metall bei gleicher Leistung wie die
supraleitenden Verbindungen größer sein. Die Herstellung von schwachleitenden Verbindungen
aus supraleitendem Material, die ebenso "schwachleitend" sind wie schwachleitende
Verbindungen aus normalem Metall, wäre außerordentlich schwierig zu erreichen oder
sogar gar nicht zu erreichen, wenn man berücksichtigt, daß Sub-Mikron-Abmessungen
bisher verwendet wurden.
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In Fig. 4, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten wie in
den Fig. 1, 2 und 3 zeigen, ist ein detaillierterer Querschnitt des SQUIDs der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Wie dem Fachmann bekannt, sind supraleitende Josephson-Logik-
und Speicherschaltkreise allgemein planare Einrichtungen, deren Elemente auf einer
supraleitenden Mikrowellen-Grund-Ebene aufgebracht sind, wobei die supraleitenden
Leitungen der Einrichtungen Mikrowellen-Streifen-Übertragungsleitungen im Hinblick
auf diese bilden. Dementsprechend ist die untere supraleitende Schicht 10 oberhalb
einer supraleitenden Grundebene 20 aufgebracht, die durch eine dielektrische Schicht
21, die als Mikrowellen-Streifen#Übertragungsleitung dient, getrennt ist. In zweckdienlicher
Weise kann die Grundplatte 20 eine aufgesprühte Schicht aus Niob mit einer Dicke
von 1.000 bis 5.000 Angström sein, die auf einem (nicht dargestellten) oxidierten
Siliciumsubstrat aufgebracht ist, wobei die dielektrische Schicht 21 aus aufgesprühtem
Siliciumdioxid oder aus amarphem Silicium besteht, das auf der Grundebene 20 aufgebracht
ist. Die Isolationsschicht 21 kann beispielsweise nach Belieben zwischen 1.000 und
20.000 Angström dick sein, Auf der dielektrischen Schicht 21 sind supraleitende
Mikrowellen-Streifen-Ansät#£ 22 und 23 der supraleitenden Schichten 10 bzw. 11 aufgebracht
und bilden einen Teil des supraleitenden Josephson-Logik- oder Speicherschaltkreises,
in dem das SQUID als aktiver Schalter angewandt wird.
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Eine weitere, über der supraleitenden Schicht 11 aufgebrachte Isolationsschicht
24 dient zum elektrischen Isolieren einer Steuerleitung 25 von der Schicht 11. Die
Steuerleitung 25 ist ein supraleitender streifen, der parallel zu den Streifen 11
und 10 zumindest in dem Gebiet der schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 angeordnet
ist. In einem praktischen Schaltkreis sollte die Steuerleitung 25 nicht die Ansätze
22 und 23 überlagernd verlaufen, um so nicht deren Mikro#tellen-Übertragungs-Leitungs-Eigenschaften
zu zerstören. In einer im einzelnen zu beschreibenden Weise erzeugt der Strom durch
die Steuerleitung 25 ein Magnetfeld, aus dem ein das Gebiet 17 (Fig. 2) durchflutender
Steuerfluß resultiert, so daß eine Steuerung des Stromes durch die schwachleitenden
Verbindungen 13 und 14 geschaffen wird. Die supraleitende Grundebene 20 wirkt als
Beschränkung aller Magnetfelder, die durch die Ströme erzeugt werden, die in den
Mikrowellen-Streifen der gleichen Seite der Grundebene 20 als Quellen der Felder
fließen. Folglich vergrößert die Grundebene 20 die Kopplung der Magnetfelder, die
durch die Steuerleitung 25 erzeugt werden, mit dem SOLID. Die Ebenen, die die obere
und untere supraleitende Schicht 11 und 12 enthalten, sind im wesentlichen zu den
Ebenen der supraleitenden Grundebene 20 und der Steuerleitung 25 parallel, wobei
die schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 im wesentlichen senkrecht hierauf angeordnet
sind.
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Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des in den Fig. 1, 2, 3
und 4 dargestellten SOUIDs, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten wie
in den Fig. 1, 2, 3 und 4 bezeichnen. Die in Josephson-Logik- und Speicherschaltkrelsen
verwendeten aktiven #UID-Schaltelemente können der Bequemlichkeit halber durch einen
Block 30 hezeichnet werden.
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Während des Betriebes wird der zwischen den Leitungen 22 und 23 durch
das SQUID 30 fließende Strom durch das Magnetfeld durch das SQUID gesteuert, das
durch den Strom erzeugt wird, der durch die Steuerleitung 25 fließt.
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Fig. 6 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristiken des SQUIDs 30, wenn
der Steuerleitungsstrom gleich Null ist (Kurve 35) und wenn der Steuerleitungsstrom
gleich 11 (Kurve 36) ist. Die Strom-Spannungs-Charakteristiken des SQUIDs 30 können
durch Einprägen eines variablen Stromes zwischen
den Leitungen
22 und 23 und Messen der Spannung zwischen ihnen bei verschiedenen Werten des an
die Steuerleitung 25 angelegten Gleichstromes erhalten werden. Diese Charakteristiken
können bequem auf einem Oszilloskop dargestellt werden, indem ein Wechselstrom an
das SQUID angelegt wird, wobei ein variabler Gleichstrom an die Steuerleitung 25
angelegt wird.
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Der kritische Strom 1C (der maximale Gleichspannungs-Null-Spannungs-Strom)
für einen Steuerleitungsstrom von Null ist ICo, wobei der kritische Strom für den
Steuerleitungsstrom I1 gleich IC1 ist. Folglich ist der Wert des Stromes durch das
SOLID der kritische Strom ICo, wenn das an das SQUID angelegte externe Magnetfeld
gleich Null ist. Wenn ein Strom I1 durch die Steuerleitung 25 fließt, ist der Wert
des Stromes durch das SQUID der kritische Strom 1C1 Wie oben angegeben, kann durch
Verwendung eines geeigneten, normalen Metalls und das Verfahren zu dessen Ablagerung
sowie eine geeignete enge Dimensionierung der schwachleitenden Verbindung der differentielle
Widerstand des SQUIDs in vorteilhafter Weise vergrößert werden. Der differentielle
Widerstand der Einrichtung ist in Fig. 6 dargestellt und mit Z V/# I bezeichnet.
Folglich sei darauf hingewiesen, daß der differentielle Widerstand der Einrichtung
der Nennwiderstand der Einrichtung ist, wenn sie in ihrem Wicht-Null-Volt-Zustand
ist.
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In Fig. 7 ist der kritische Strom IC des SQUIDs als implizite Funktion
des das Gebiet 17 schneidenden magnetischen Flusses oder als direkte Funktion des
Steuerstromes, der in der Steuerleitung 25 fließt, dargestellt. In dem Maße, wie
der Steuerstrom vergrößert wird, wird der das SQUID 30 verbindende magnetische Fluß
in direkter Proportion vergrößert, da keine ferromagnetischen Materialien vorhanden
sind und in dem Maße, wie der Steuerstrom vergrößert wird, unterliegt der kritische
Strom Oszillationen. Ein vollständiger Zyklus wird erzeugt, wenn der das SqUID verbindende
magnetische Fluß um ein Fluß-Quant vergrößert wird. Wenn der Steuerleitungsstrom
gleich Null ist, so fließt ein maximaler kritischer Strom max durch as SQUID. Wenn
der Steuerleitungsstrom auf I1 vergrößert wird, so verringert sich der kritische
Strom auf einen Minimalwert von Imin. Es sei darauf hingewiesen, daß bei vorgegebenen
kritischen Strömen der schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 und der Induktivität
L der
aus den schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 und den Supraleitern
10 und 11 zusammengesetzten supraleitenden Schleife es möglich ist, die Abhängigkeit
des kritischen Stromes von dem das SOLID 30 verk#tendemmagnetischen Fluß theoretisch
zu bestimmen (vgl. z.B. den Artikel von T.A.
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Fulton, L. N. Dunkleberger und R.C. Dynes in Physical Review B'J,
1. August 1972, Seite 855).
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Im Zusammenhang mit den Fig. 6 und 7 sei darauf hingewiesen, daß das
SQUID 30 der vorliegenden Erfindung als Schalter in Josephson-Logik-und Speicher-Schaltkreisen
unter der Steuerung des angelegten Stromes durch die Steuerleitung 25 hindurch verwendet
werden kann. Beispielsweise ist der Gleichspannungs-Null-Spannungs-Strom, der durch
das SQUID fließt, gleich 1max' wenn der Nullstrom an die Steuerleitung 25 angelegt
wird.
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Wenn ein Steuerleitungsstrom von 11 angelegt wird, so verringert sich
der Gleichspannungs-Null-Spannungs-Strom auf Imin, wodurch die geforderte Steuerfunktion
für die Josephson-Schaltkreise geschaffen wird.
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Es sei darauf hingewiesen, daß aufgrund des neuen Aufbaus des SqUIDs,
wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt, die Einrichtung eine maximale Empfindlichkeit
des kritischen Stromes durch das SQUID in bezug auf den Steuerstrom durch die Leitung
25 aufweist. Die Ebene, die die schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 enthält,
steht im wesentlichen senkrecht zu den Ebenen, die die Grundebene 20 sowie die obere
und untere supraleitende Schicht 10 und 11 und die Steuerleitung 25 enthält. Folglich
wird das Gebiet 17, das durch die schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 und die
Ebenen, die mit der London-Eindring-Tiefe A innerhalb der oberen und unteren Supraleiter
10 und 11 übereinstimmt, begrenzt ist, eine maximale Projektion gegenüber der Richtung
des magnetischen Feldes aufweisen, das durch den Steuerstrom durch die Leitung 25
erzeugt wird.
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Der magnetische Fluß, der bei einem gegebenen Steuerleitungsstrom
das SQUID verkettet, wird daher für diese geometrische Anordnung ein Maximum sein
und, da der kritische Strom stärker von dem magnetischen Fluß abhängt als von dem
magnetischen Feld selbst, ergibt sich die maximale Ansprechempfindlichkeit auf den
Steuerstrom. Zusätzlich ist die Steuerempfindlichkeit maximal, wenn der Steuerstrom
durch die Leitung 25 in
der Richtung von 13 nach 14 oder umgekehrt
fließt, anstelle unter einem Winkel, bezogen auf die Zeichenebene.
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Es ist vorteilhaft, ein großes Verhältnis des maximalen Wertes des
krii schen Stromes zum minimalen Wert des kritischen Stromes (1 und I max min von
Fig. 7) aufrechtzuerhalten, was durch das SQUID ermöglicht werden kann. Dieses Ergebnis
wird teilweise dadurch erhalten, daß die einzelnen kritischen Ströme der schwachleitenden
Verbindungen 13 und 14 so gleich als nur möglich gemacht werden, wobei dieses Ergebnis
wiederum dadurch erreicht wird, daß die einzelnen schwachleitenden Verbindungen
so gleich wie nur möglich gemacht werden. Folglich sollte ein Ziel des SQUID;Herstellungsverfahrens
darin liegen, die gleiche Breite und Höhe der schwachleitenden Verbindungen im Hinblick
auf die jeweils andere zu erhalten. Verfahren zum Erhalten von im wesentlichen identischen
schwachleitenden Verbindungen zum Aufbringen von Isolationsfilmen mit gleichförmiger
Dicke und zum Herstellen von Löchern darin mit gleichförmigem Querschnitt sind in
der Technik bekannt. Die Löcher können durch Elektronenstrahllithographie und reaktives
Aufsprühätzen (reactive-sputter etching) oder durch Doppelschichttrocken/naß-Ätz-Verfahren
hergestellt werden. Andere geeignete Herstellungsverfahren können alternativ verwendet
werden. Zusätzlich dazu, daß die kritischen Ströme so identisch wie nur möglich
sind, wird die Magnetfeldempfindlichkeit des SQUIDs dadurch vergrößert, daß das
Produkt aus dem kritischen Strom der schwachleitenden Verbindung 1C0 und der Induktivität
L der SQUID-Schleife sehr klein gemacht wird. Da die Induktivität im wesentlichen
durch die Geometrie der Einrichtung festgelegt ist, wird die Verringerung des kritischen
Stromes durch Verwendung der Schicht 18 aus normalem Metall als von großem Nutzen
zum Erreichen der gewünschten Magnetfeldempfindlichkeit des SQUIDs angesehen.
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Zusätzlich zu der vergrößerten Empfindlichkeit, die durch die schuachleitenden
Verbindungen der vorliegenden Erfindung erreicht wird, wird die Regelung der Ansprechempfindlichkeit
auf das Magnetfeld des kritischen Stromes durch das SQUID ebenso erreicht, aufgrund
der neuen Geometrie des SQUIDs. Dies wird durch Verändern des Gebietes 17 (Fig.
2) erreicht.
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Eine Vergrößerung der Höhe der Isolationsschicht 12 und ein größerer
Abstand
zwischen den schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 bringt eine Vergrößerung der
Ansprechempfindlichkeit auf das magnetische Feld der Steuerleitung 25. Eine Verkleinerung
dieser Abmessungen ergi i eine verringerte Empfindlichkeit. Obwohl das oben beschriebene
Ausführungsbeispiel der Erfindung im Zusammenhang mit den doppelten, schwachleitenden
Verbindungen 13 und 14 beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, daß mehr als zwei
schwachleitende Verbindungen bei Ausführung der Erfindung verwendet werden können
für die hierdurch gebotenen Vorteile. Beispielsweise können mehr als zwei schwachleitende
Verbindungen in nützlicher Weise angewandt werden, um die Abhängigkeit des kritischen
Stromes von dem Steuerleitungsstrom zu ändern.
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Im Folgenden wird erneut auf Fig. 4 Bezug genommen. Die Isolationsschichten
21 und 24 weisen gegenüber der Isolationsschicht 12 eine unterschiedliche Funktion
auf. Die Isolationsschicht 12 bestimmt die schwachleitenden Verbindungen 13 und
14 der aktiven Einrichtung und, wie oben erläutert, beeinflußt die Dicke der Schicht
12 die Ansprechempfindlichkeit der Einrichtung auf die Steuerung durch das angelegte
Magnetfeld. Die Dicke der 1Isolationsschicht 12 sowie ihre Dielektrizitätskonstante
bestimmen die Kapazität eines konzentrierten Elementäquivalentes der Einrichtung.
Die solationsschicht 21 ist das Dielektrikum der Mikrowellenstreifenübertragungsleitung,
das dielektrische Isolierung (galvanische Trennung) zwischen der Grundebene 20 des
Mikrowellenschaltkreises und den Streifenübertragungsleitungen 22 und 23 liefert,
die Ansätze der oberen und unteren Supraleiter 10 bzw. 11 der aktiven Einrichtung
sind. Die dielektrische Schicht 21 isoliert ebenfalls die Ansätze der Steuerleitung
25 von der Grundebene 20. Es sei darauf hingewiesen, daß die Steuerleitung 25 nicht
direkt über den Leitungen 22 und 23 liegen kann, mit Ausnahme in der Nachbarschaft
der aktiven SQUID-Einrichtung. Die Breiten der Leitungen 22, 23 und 25 bestimmen
zusammen mit der Dicke und der Dielektrizitätskonstanten der Isolationsschicht 21
die charakteristische Impedanz oder den Wellenwiderstand dieser Mikrowellenstreifenübertragungsleitungen.
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Im einzelnen fordern supraleitende Schaltkreise, in denen das SQUID
der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann, spezifische Bereiche von
annehmbaren
charakteristischen Impedanzen der Mikrowellenstreifenübertragungsleitungen zum einwandfreien
Betrieb dieser Schaltkreise. Beispielsweise wird, wenn sie in Speicherschaltkreisen
bekannter Art angewandt werden, eine kritische Dämpfung gefordert, um stabile Stromübertragungsvor
gänge sicherzustellen, in einer Weise ähnlich der kritischen Dämpfung, die von Speicherkreisen
gefordert wird, die herkömmliche Josephson-Tunnel-Übergänge als aktive Elemente
verwenden. Die kritische Dämpfung fordert ihrerseits, daß der Schaltkreis, der sich
zu der aktiven Einrichtung erstreckt, induktiv erscheint. Daher muß die charakteristische
Impedanz des Schaltkreises groß sein im Vergleich mit einem entsprechenden Widerstandswert
der aktiven Einrichtung, wobei der Widerstandswert der Einrichtung als Ergebnis
der vorliegenden Erfindung leicht und bequem steuerbar ist.
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Aus weiter unten zu erläuternden Gründen fordert das SQUID der vorliegenden
Erfindung sehr viel geringere Einschränkungen bezüglich des Impedanzuertes der Mikrowellenstreifenübertragungsleitungen
als #osephson-Durchtunnelungs-Übergänge. Allerdings sind gewisse Einschränkungen
auch für diese aktiven SQUID-Einrichtungen notwendig, wie im Hinblick auf die Impedanzanpassung
zwischen dem SQUID und dem Schaltkreis zur Effektivität der Energieübertragung,
wie oben erläutert. Die Wahl der Dielektrizitätskonstanten und der Dicke der Isolationsschicht
21 sowie die Breiten der Leitungen 22 und 23 und die Breite der Ansätze der Leitung
25, die nicht in der Nachbarschaft der aktiven Einrichtung liegen, wird primär durch
allgemeine Schaltkreisüberlegungen hinsichtlich des Schaltkreises, in dem die Einrichtung
angewandt wird, bestimmt und lediglich teilweise durch das SPUND der vorliegenden
Erfindung bestimmt. In ähnlicher Weise liefert die Isolationsschicht 24 eine galvanische
Trennung der Steuerleitung 25 von der oberen supraleitenden Schicht 11. Die Isolationsschicht
24 sollte Eigenschaften, einschließlich der Dicke, der Gleichförmigkeit der Dicke
und der Dielektrizitätskonstanten aufweisen, um Impedanzänderungen der Leitung 25
in dem Gebiet zu minimieren, in dem sie die aktive Einrichtung überkreuzt.
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Aufgrund des Aufbaues des S#UIDs der vorliegenden Erfindung, wie in
Fig. 1 bis 4 dargestellt, wird dessen Herstellung im Vergleich mit den
Herstellungsschritten,
die für bekannte supraleitende Schalter, wie z.B.
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Josephson-Tunnel-Übergänge benötigt werden, vereinfacht. Vorzugsweise
wird Elektronenstrahllithographie oder Röntgenstrahllithographle zur Herstellung
der submikron- oder mikrondimensionierten Löcher durch die Isolationsschicht 12
verwendet. Die Löcher für die schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 sind die einzigen
benötigten, elektronenstrahlerzeugten Muster ~und deren Herstellung benötigt nur
ein kurzes zeitliches Aussetzen des gegenüber Elektronen widerstandsfähigen Materials,
das bei dem Herstellungsprozess angewandt wird, gegenüber dem Elektronenstrahl,
um das Muster zu erzeugen. Daher benötigt die Herstellung des SQUIDs der vorliegenden
Erfindung keine komplexe und lang andauernde und daher uneffektiv teuere und zeitverbrauchende
Elektronenstrahlbestrahlung.
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Ein Verfahren, das bei der Herstellung eines supraleitenden Schaltkreises
unter Verwendung des SQUIDs der vorliegenden Erfindung als aktiver Schalter angewandt
werden kann, enthält die folgenden Schritte: 1. Aufbringen der Niobgrundebene 20
durch Aufsprühen (1.000 bis 5.000 Angström dick) auf ein oxidiertes Siliciumsubstrat.
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2. Aufbringen der dielektrischen Schicht 21 der Mikrowellenstreifenübertragungsleitung
aus Siliciumdioxid (SiO2) oder amorphem Silicium durch Aufsprühen, 3. Anwendung
von Standardphotolack-(photoresistive)Verfahren zum Belichten (pattern) und Ätzen
der Isolationsschicht 21 zum Bloßlegen der Grundebene 20, um an geforderten Punkten
elektrische Verbindungen mit den Schaltkreismustern herzustellen, die nachfolgend
aufgebracht werden.
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4. Aufbringen von 3.000 Angström Niob.
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5. Anwendung von Standardphotolack-Verfahren und chemischem, trockenem
chemischen oder Aufsprühätzen, um die in Schritt 4 aufgebrachte Niobschicht zu belichten,
um die gewünschten Muster von Schaltkreisinseln des unteren supraleitfähigen Schaltkreises
zu bilden. Diese Schicht aus supraleitfähigen Schaltkreisinseln enthält die supraleitfähige
Schicht
10 und die Ansatzleitung 22.
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6. Aufbringen eines Siliciumdioxids(SiO2) von 1.000 bis 5.000 Angstrom
Dicke durch Aufsprühen. Diese Schicht enthält die Isolationsschicht 12.
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7. Entfernen des unerwünschten Siliciumdioxids (SiO2) durch Standardphotolack-
und Ätzverfahren. Das Gebiet der unteren supraleitenden Schicht, die in Schritt
4 aufgebracht wurde, bleibt vollständig bedeckt.
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8. Anwendung von Standardelektronen-Resist-Techniken zum Bestrahlen
und Ätzen einer Vielzahl von mikron- oder submikrondimensionierten Löchern in der
Siliciumdioxidschicht oberhalb jedes Gebietes 10 jedes 5QUIDs des integrierten Schaltkreises.
Alternativ können die oben beschriebenen Techniken zur Bildung der Löcher angewandt
werden.
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9. Aufbringen einer Titanschicht (200 bis 2.000 Angström dick) durch
Aufsprühablagerung. Diese Schicht enthält die Schicht 18 und füllt die Löcher 15
und 16 in der Isolationsschicht 12, um die schwachleitenden Verbindungen 13 und
14 aus normalem Metall zu bilden.
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10. Aufbringen einer Schicht aus Niob von 3.000 Angström Dicke durch
Aufsprühen. Dies bildet die obere supraleitende Schicht 11 und deren Leitungsansatz
23 und die schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 der St4UID-Schalter sowie die
gewünschten Nisb-Anschlüsse des Schaltkreises.
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11. Entfernen der unerwünschten Teile der Niab- und Titanschichten,
die in den Schritten 9 und 10 aufgebracht wurden, durch Standardphotolack- und Ätzverfahren.
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12. Aufbringen der Isolationsschicht 24 durch Aufsprühen von 3.000
angström Siliciumdioxid (SiO2) oder durch Aufdampfen von Siliciumoxid (SiO).
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13. Entfernen von unerwünschten Gebieten der Isolationsschicht 24
durch Standardphotolack- und Ätzverfahren. Es ist lediglich gefordert, daß die überkreuzende
Isolationsschicht 14 zwischen den Niobschichten 25 und 11 oder 23 und zwischen den
Schichten 25 und 10 oder 22 existiert.
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14. Aufsprühen der oberen Niobschicht, was die Steuerleitung 25 bildet.
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Die in diesem Schritt aufgebrachte Schicht kann auch dazu dienen,
irgendwelche geforderten Verbindungen zwischen den Schichten 22 und 23 mit anderen
Teilen des Schaltkreises zu bilden.
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Es sei darauf hingewiesen, daß es nützlich ist, einen Aufsprüh-Ätz-Schritt
während desselben Vakuumsystemabpumpens,das unmittelbar den Schritten 9, 10 und
14 vorausgeht, durchzuführen, um sicherzustellen, daß reproduzierbare schwachleitende
Verbindungen und gute supraleitende Kurzschlußverbindungen In diesen entsprechenden
Schritten gebildet werden. Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß das oben beschriebene
Verfahren beispielahaft ist, wobei andere Verfahren zur Herstellung der supraleitenden
Schaltkreise anwendbar sind, die gemäß der vorliegenden Erfindung SQUIDs als aktive
Schalter verwenden. Zusätzlich sind die oben beschriebenen Materialien nur exemplarisch,
wobei andere Materialien zur Erreichung desselben Effektes geeignet sind.
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Anstelle von Niob können auch andere geeignete, supraleitende Metalle
verwendet werden. Weiterhin können andere geeignete, nicht-supraleitende Metalle,
wie z,B, normale Metalle, dort verwendet werden, wo Titan angegeben wurde,und es
können auch anstelle des erwähnten Siliciumoxids oder Siliciumdioxidsandere isolierende
Materialien verwendet werden. Es sei noch weiterhin darauf hingewiesen, daß bei
Anwendung der Erfindung Halbleitermaterialien verwendet werden können, um die Schicht
18 und die schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 zu bilden.
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Obwohl das oben beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung mit
einer einzigen Steuerleitung 25 dargestellt wurde, sei darauf hingewiesen, daß eine
Vielzahl von Steuerleitungen verwendet werden können, um das Schalten eines SOUIDs
zu steuern, wodurch Logikschaltkreise geschaffen werden, deren Ausgänge von Signalen
abhängen, die von zwei oder mehr Eingängen geliefert werden. Für den Fall, daS Tunnelübergänge
als aktives Schaltelement
verwendet werden, sind solche Logikanordnungen
bekannt und können mit den SOUIDs mit schwachleitenden Verbindungen gemäß der vorliegenden
Erfindung für den gleichen Effekt verwendet werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, liegt
ein wichtigerer Anwendungsfall darin, daß hochschmelzende Supraleiter bei der Herstellung
der supraleitenden Teile der Einrichtung verwendet werden und in solchen Anwendungen,
daß hochschmelzende normale Metalle vorzugsweise für die schwachleitenden Verbindungen
verwendet werden. Einrichtungen, die solche Materialien verwenden, sind in wesentlich
höherem Ausmaße wieder verwendbar als anders hergestellte Einrichtungen. Es sei
darauf hingewiesen, daß solche Einrichtungen auch "exotische" supraleitende Materialien
verwenden können, wie z.B. Niob + Zinn (Nb3Sn) oder Niob + Germanium (Nb3Ge) oder
Niob + Stickstoff (NbN). Die Anwendung dieser "exotischen" Materialien kann dahin
vorteilhaft sein, daß ihre Supraleitungs-Übergangstemperaturen (Tc), die ungefähr
bei 14°K bis 22°K liegen, den Betrieb der Einrichtung bei 10°K ermöglichen, das
die Temperatur ist, die ohne die Verwendung von flüssigem Helium erreichbar ist.
Folglich können bei solchen Einrichtungen Kühleinrichtungen mitlediglich geschlossenem
Zyklus alleine verwendet werden. Es sei darauf hingewiesen, daß zusätzlich andere
supraleitende Materialien, wie z.B. die allgemein bekannten AlS-Verbindungen verwendet
werden können.
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Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung im Zusammenhang
mit der Verwendung von normalen Metallen für die nicht-supraleitenden schwachleitenden
Verbindungen beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, daß andere Materialien und
Verfahren angewandt werden können, um schwachleitende Verbindungen zu schaffen,
die bei den verwendeten kryogenen Arbeitstemperaturen nicht-supraleitend sind. Beispielsweise
könnte das gleiche Material, das die oberen und unteren supraleitenden Schichten
10 bzw. 11 bildet, auch in die Löcher 13 und 14 abgelagert werden, um die nicht-supraleitenden
schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 zubilden.
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Dies kann durch Verändern des schwachleitenden Materiales erreicht
werden.
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Beispielsweise liefert Niob, das mit geringer Geschwindigkeit (low
rate) oder durch Sauerstoff verunreinigt, abgelagert wird, eine niedrigere Übergangstemperatur
als
Niob, das mit hoher Geschwindigkeit und mit einer geringen Sauerstoffumgebung abgelagert
wird. Folglich kann Niob, das mit hoher Geschwindigkeit und einer geringen Sauerstoffumgehungabgelagert
würde, als untere und obere supraleitende Schicht 10 und 11 verwendet werden. Niob,
das mit niedriger Geschwindig#keit oder alternativ mit Sauerstoffverunreinigungen
abgelagert wurde, kann als nicht-supraleitende schwachleitende Verbindungen 13 und
14 verwendet werden, da das so abgelagerte oder verunreinigte Niob eine niedrigere
Supraleitungs-Übergangstemperatur aufweist als das Niob der oberen und unteren supraleitenden
Schichten der Einrichtung, die mit hoher Geschwindigkeit und mit geringer Sauerstoffumgebung
abgelagert wurden. Folglich werden, wenn die Einrichtungen bei einer kryogenen Temperatur
unterhalb der Übergangstemperatur der supraleitenden Schichten 10 und 11, jedoch
oberhalb der Übergangstemperatur der so behandelten schwachleitenden Verbindungen
13 und 14 betrieben werden, die schwachleitenden Verbindungen im Ergebnis aus nichtsupraleitendem
Material sein, das durch den oben erläuterten Nachbarschaftseffekt supraleitend
gemacht wird.
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In ähnlicher Weise können Nb3Sn und Nb3Ge sowohl als supraleitende
Schichten als auch als schwachleitende Verbindungen angewandt werden durch "Vergiften"
der Materialien, wodurch die Stöchiometrie oder deren bevorzugte Kristallstruktur
zerstört wird, wenn die schwachleitenden Verbindungen aufgebracht werden, wodurch
Legierungen mit niedriger Übergangstemperatur aufgebracht werden. Dies kann entweder
durch Anderung des Target-Materiales erreicht werden, oder dadurch, daß das Substrat
nicht auf der richtigen Temperatur gehalten wird, wodurch die Ablagerung von Legierungen
mit niedriger Übergangstemperatur in den schwachleitenden Verbindungen 13 und 14
ermöglicht wird.
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Es kann eine Ionenimplantation in das Gebiet der schwachleitenden
Verbindungen nach Aufbringen der schwachleitenden Verbindungen verwendet werden,
um die Supraleitungs-Übergangstemperatur des Materiales herabzusetzen, wodurch das
Metall in einen normalen Leiter bei der Arbeitstemperatur der Einrichtung umgewandelt
wird. Die Ionenimplantation kann dazu verwendet werden, die schwachleitenden Verbindungen
schwächerleitend zu machen oder den spezifischen Widerstand eines normalen Leiters
zu
vergrößern. Ein Beispiel für eine solche Implantation sind Sauerstoffionen,
die in Niob implantiert werden.
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Die schwachleitenden Verbindungen können alternativ durch Zusammen-Aufdampfen
oder Zusammen-Aufsprühen einer Vielzahl von Metallen hergestellt werden, um eine
Legierungsablagerung zu schaffen, die einen höheren spezifischen Widerstand aufweist,
als deren einzeln aufgebrachte Elemente. Zusätzlich kann das normale Metall bei
hohen Argondrücken langsam aufgesprüht werden, um dessen spezifischen Widerstand
zu vergrößern. Dieses Verfahren kann zum Beispiel mit Titan, Molybdän oder Tantal
angewandt werden.
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Die schwachleitenden Verbindungen können auch durch Aufdampfen eines
normalen Metalls in einem unvollständigen Vakuum hergestellt werden, um dessen spezifischen
Widerstand zu vergrößern. Es sei darauf hingewiesen, daß ungeachtet der obigen Ausführungen
normale hochschmelzende Metalle in die Löcher in dem Isolator 12 aufgedampft oder
aufgesprüht werden können, um die schwachleitenden Verbindungen zu bilden.
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Die SOtilOs mit schwachleitender Verbindung gemäß der vorliegenden
Erfindung können in supraleitenden Schaltkreisen, wie z.B. Josephson-Speicher-und
Logikschaltkreisen als Ersatz für den bei solchen AnwendungszweCken herkömmlich
verwendeten Josephson-Tunnel-Übergangs-Schalter verwendet werden. In Fig. B ist
eine herkömmliche supraleitende Speicherschleife dargestellt, die in der linken
Seite der Schleife ein SQUID als aktives Schaltelement verwendet. Das SOLID ist
entsprechend der in Fig. 5 erläuterten schematischen Darstellung mit dem Bezugszeichen
30 bezeichnet.
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Die schwachleitenden Verbindungen des SQUIDs 30 stehen senkrecht auf
der Zeichenebene. In herkömmlicher Weise würde ein Josephson-Tunnel-Übergang als
aktiver Schalter verwendet. Die Arbeitsweise der Schleife zur Speicherung binärer
Daten ist in der Technik allgemein bekannt. Wie es bei dem in Fig. 8 dargestellten
Aufbau bekannt ist, kann ein Strom von der linken Seite der Schleife zur rechten
Seite übertragen werden Unter der Annahme, daß die Induktivitäten jeder Seite der
supraleitenden Schleife gleich sind, führt ein anfängliches Anlegen eines Stromes
I, wie in
Fig. 8a dargestellt, an die parallele Kombination der
gesamten Schleife zu einem Strom I/2, der in jeder Seite der Schleife fließt. Es
sei angenommen, daß die Größe von I ausreichend klein ist, so daß I/2 den kritischen
Strom des SOUIDs 30 mit schwachleitender Verbindung, das in der linken Seite der
Schleife enthalten ist, nicht überschreitet. Wie in Fig. Bb dargestellt, wird, wenn
ein Steuerleitungsstrom Icont an die Steuerleitung 25 angelegt wird, der kritische
Strom Icrit des SQUIDs 30 auf I it (ICont) reduziert. Es ist erforderlich, daß die
Größe von I und Icrit ausreichend groß ist und daß die Ansprechempfindlichkeit des
kritischen Stromes des SQUIDs mit schwachleitender Verbindung auf den Steuerleitungsstrom
ausreichend groß ist, so daß ICrit (ICont) < I/Z. Es sei darauf hingewiesen,
daß die Leistung des SQUIDs 30 hinsichtlich des Fehlens des Kritischseins vonIcrit
und 1cont um so besser ist, je größer die obige Ungleichung ist.
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In Übereinstimmung mit der oben beschriebenen Arbeitsweise des SQUIDs30
wird nach dem Anlegen von Icont an die Steuerleitung 25 der Strom in der linken
Seite Il der Schleife 11 = 1crit (I (ICont) sein. Der dann in der rechten Seite
der Schleife fließende Strom 1r wird dann durch die Gleichung 1r = I - Icrit (Icont)
gegeben sein. Diese Stromverteilung nach Betätigung des Schalters 30 ist in Fig.
Bb dargestellt. In Übereinstimmung mit dem allgemein bekannten Stromsteuerungebetrieb
supraleitender Schleifen beeinflußt eine Beendigung des Steuerstromes durch die
Steuerleitung 25 hindurch nicht die neue Verteilung des Stromes zwischen den linken
und rechten Seiten der supraleitenden Schleife. Wie in Fig. 8c dargestellt, wird,
wenn der an die Schleife angelegte Strom I unterbrochen bzw. beendet wird, ein im
Uhrzeigersinn fließender Strom der Größe Icirc innerhalb der Schleife vorhanden
sein, wobei Icirc durch die Gleichung Icirc = 1/2 - Icrit (ICont) gegeben ist. Dieses
Vorgehen zur Errichtung des im Uhrzeigersinn fließenden, fortbestehenden Suprastromes
der Größe Icirc ist in der Technik der supraleitenden Schaltkreise allgemein bekannt.
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dem Dies wird leicht dargestellt, in/ man das Anlegen eines nach
oben gerichteten Stromes I an die Unterseite der Schleife betrachtet, wie in Fig.
Bb dargestellt, wobei dieses Vorgehen gleichbedeutend mit dem Beendigen des an die
Oberseite der Schleife angelegten Stromes I ist. Unter diesen Bedingungen
ist
in jedem der Zweige der Schleife ein Strom von I/2 nach oben gerichtet, wodurch
ein algebraisches Addieren zu den dargestellten Strömen das beschriebene Ergebnis
liefert.
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In Fig. 9 ist eine Speicherschleife der im Zusammenhang mit Fig. 8
erl terten Art dargestellt mit einer S#UID-Einrichtung mit mehrfachen schwachleitenden
Verbindungen in jedem der rechten und linken Zweige der Schleife sowie mit einer
S#UID-Abtasteinrichtung 40 zum Abtasten des Zustandes der in der Schleife gespeicherten
Daten. Die SqUIDs30, 30' und 40 sind von der Art, die oben im Zusammenhang mit den
Fig. 1 bis 4 erläutert wurde, wobei eine Leitung 41 des SQUIDs 40 den Weg durch
die schwachleitenden Verbindungen des SQUIDs über die Ansätze 22 und 23 bezeichnet.
Die Speicherschleife selbst dient als Steuerleitung für das Abtast-S#UID 40.
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Es sei bemerkt, daß die oben im Zusammenhang mit Fig. 8 hinsichtlich
des SQUIDs 30 in dem linken Zweig der Schleife erläuterte Analyse auf das S2UID
30' in dem rechten Zweig der Schleife angewandt werden kann. Bei entsprechender
Energiezufuhr zur Steuerleitung 25' wird ein im Gegenuhrzeigersinn zirkulierender,
fortbestehender Suprastrom innerhalb der Schleife errichtet. In der Technik ist
es bekannt, daß die im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn zirkulierenden Ströme
eine Speicherung der binären Werte 1 und 0 darstellen können. Einzelheiten solcher
Schleifen, die Josephson-Tunnel-Übergänge als aktive Schaltelemente und als Abtastelemente
verwenden, sind in der Technik allgemein bekannt und werden der Kürze halber hier
nicht behandelt. Das Abtast-SQUID 40 wird in passender Weise, die hinsichtlich des
Josephson-Tunnel-Überganges in der Technik beschrieben ist, verwendet, um den Zustand
der gespeicherten Daten abzutasten.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Anwendung des SQUIDs der vorliegenden
Erfindung auf Speicher rein beispielhaft und nicht beschränkend ist.
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Fachleute werden erkennen, daß das SQUID mit mehrfachen schwachleitenden
Verbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung in jeglichem supraleitenden Schaltkreis
angewandt werden kann, indem bisher Josephson-Tunnel-Überga.-nge als aktive Schaltelemente
verwendet wurden. Es sei darauf hingewiesen, daß das SQUID der vorliegenden Erfindung
in solchen Schaltkreisen verwendet werden kann, wie z.B. Dreifachweg-Speicherschaltkreise,
Multipliziererschaltkreise,
Addiererschaltkreise, eine große Vielfalt
von Logikschaltkreisen, Schieberegisterschaltkreise, Komparatorschaltkreise und
ähnliches.
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Neben den oben erläuterten spezifischen Vorteilen, die aus der Verwendung
von schwachleitenden Verbindungen aus nicht-supraleitendem Material resultieren,
hat das SQUID mit schwachleitender Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik folgende Vorteile: 1. Das SQUID mit schwachleitender Verbindung
gemäß der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung eines einzigen hochschmelzenden
supraleitenden Metalls und eines hochschmelzenden stabilen normalen Metalls leicht
hergestellt werden. Im einzelnen kann das benötigte, einzige supraleitende Material
aufgesprühtes Niob sein, das leicht und zuverlässig aufgebracht werden kann und
eine hohe Supraleitungs-Übergangstemperatur (Sprungtemperatur) aufweist, was die
Anforderungen an die kryogene Kühleinrichtung vereinfacht. In ähnlicher Weise kann
das für die schwachleitenden Verbindungen benötigte, einzige normale Metall aufgesprühtes
Titan sein, das den Vorteil des oben beschriebenen früheren SQUIDs beibehält, daß
nur hochschmelzende Metalle verwendet werden. Die hohe Schmelztemperatur der niab-
und titanenthaltenden hochschmelzenden Metalle macht die hieraus hergestellten Schaltkreise
leichter zu bearbeiten und robuster. Ein Rückführen zwischen Raumtemperatur und
kryogenen Temperaturen bewirkt weniger Spannungen bezüglich der differentiellen
Ausdehnungskoeffizienten als sie bei Schaltkreisen, die aus weichen (Sleilegierung)
Supraleitern hergestellt wurden, auftreten.
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2. Da das SQUID mit mehrfach schwachleitender Verbindung gemäß der
vorliegenden Erfindung anstelle von herkömmlichen Sasephson-Tunnel-Übergängen verwendet
werden kann, werden die pseudo-resonanten Fisk Zustände" eliminiert, die Probleme
bei den Tunnel-Übergängen verursachen, wenn Übergänge von der Nullspannung zu diesen
Zuständen anstatt annähernd zu der Bandabstandsspannung, wie gefordert, auftreten.
Das SOLID der vorliegenden Erfindung ist diesen Pseudo-Zuständen nicht unterworfen.
Folglich werden die bei Tunnel-Übergängen
erforderlichen speziellen
Formen zum Eliminieren dieser internen Resonanzen, die die Arbeitsweise des Schaltkreises
stören, bei der vorliegenden Erfindung nicht benötigt.
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3. Die Eigenschaften des SQUIDs mit mehrfach schwachleitender Verbindung
sind auf kleine Änderungen der Dicke der kritischen Isolationsschicht (Schicht 12
von Fig. 2) weniger empfindlich als die Eigenschaften des Josephson-Tunnel-Überganges
hinsichtlich seiner Durchtunnelungsbarriere.
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Der Tunnel-Übergang hat einen Null-Spannungs-Josephson-Strom, der
stark von der Dicke der Durchtunnelungs-Isolator-ßarriere abhängt, wobei diese Abhängigkeit
mindestens so stark ist wie eine exponentielle Abhängigkeit. Folglich verursacht
eine geringe Änderung der Barrierendicke eine große Änderung des Null-Spannungs-Josephson-Stromes.
Dieser Strom einer schwachleitenden Verbindung ist allerdings nicht annähernd so
empfindlich auf die Länge der schwachleitenden Verbindung, die durch die Dicke der
Isolationsschicht 12 bestimmt wird, als es der Josephson-Tunnel-Übergang hinsichtlich
der Durchtunnelungs-Isolator-Barriere ist. Teilweise Änderungen der Dicke der Isolationsschicht
12 des SQUIDs der vorliegenden Erfindung haben einen wesentlich geringeren Einfluß
auf die kritischen Strompegel dieser Einrichtungen als die gleichen teilweisen Änderungen
der Isolatorbarriere des Tunnelubergangs. Es sei weiterhin darauf hingewiesen, dae
aufgrund der extremen Dünne der Isolatoren, die als Josephson-Tunnel-Barrieren (10
bis 30 Angström) geeignet sind, es schwieriger ist, ein Herstellungsverfahren für
Tunnelübergänge anzugeben, das nur kleine teilweise Änderungen der Barrierendicke
zulässt als für die wesentlich dickere schwachleitende Verbindung, die die Isolationsschicht
12 bildet, die zwischen einigen Hundert bis Zehntausend Angström dick sein kann.
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4. Die interne Kapazität des SQUIDs mit mehrfach schwachleitender
Verbindung ist in vorteilhafter Weise kleiner als die des Tunnelüberganges, den
es ersetzt. Die Kapazität ist aus zwei Gründen kleiner. Erstens ist - wie oben erläutert
- die Dicke der Isolationsschicht 12 des SqUIDs wesentlich größer als die der Tunnel-Übergang-Isolator-Barriere.
Zweitens weisen die allgemein für Tunnel-Übergangs-Isolator-Barrieren verwendeten
Materialien eine relativ hohe Dielektrizitätskonstante
auf, wobei
die relative Dielektrizitätskonstante von Niobpentoxid (Nb205) beispielsweise bei
ungefähr 30 liegt. Das Isolatormaterial für das SQUID mit schwachleitender Verbindung#gegen
kann beispielsweise Siliciumdioxid (SiO2) sein, mit einer Dielektrizitätskonstanten
von weniger als 1,5. Da die Kapazität der Einrichtung der Dielektrizitätskonstanten
und der Fläche des Isolators direkt proportional und dessen Dicke umgekehrt proportional
ist, wird die aktive Schalteinrichtung durch eine wesentlich kleinere Kapazität
pro Flächeneinheit bei einem SQUID mit schwachleitender Verbindung als bei einem
Josephson-Tunnel-Übergang geshuntet.
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5. Supraleitende Josephson-Schaltkreise, die das SQUID mit schwachleitender
Verbindung verwenden, benötigen wesentlich kleinere Flächen als funktional ähnliche
Schaltkreise, die Josephson-Tunnel-Übergänge verwenden. Dies liegt daran, daß, wie
bekannt, beispielsweise Tunnelübergangs-Schleifenspeicherschaltkreise, die ein zuverlässiges,
gleichmäßiges Schaltverhalten zeigen, kritisch gedämpft werden müssen. In dem ohmisch
geshunteten Übergangsmodell erfordert dies, daß 4 RJC < L wobei Rj ein effektiver
Widerstand der Einrichtung ist, der oft so gewählt ist, daß er mit dem differentiellen
Widerstand der Quasi-Partikel Strom-Spannungs-Charakterisitik bei Spannungen unterhalb
des Bandabstandes gleich ist, wie oben erläutert und in Fig. 6 dargestellt.
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Für einen Tunnelübergang ist C primär eine interne Größe der Einrichtung,
aufgrund der extrem dünnen Durchtunnelungsbarrieren, die aus Materialien mit hohen
Dielektrizitätskonstanten gefertigt sind, während L primär eine externe Größe der
Einrichtung ist, die durch die Längen der Mikrowellenstreifenübertragungsleitungen
mit niedriger charakteristischen Impedanz erzeugt werden, die die Schleife enthalten.
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Es ist diese geforderte Länge des Schleifenumfanges, die zu einer
unerwünscht großen Fläche bei der Herstellung eines kritisch gedämpften Schleifenspeichers
führt.
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Eine Speicherschleife, die beispielsweise #UIDs mit mehrfach schwachleitender
Verbindung anstelle von Tunnel-Übergangs-Einrichtungen verwendet, würde eine wesentlich
kleinere externe Induktivität aus zwei Gründen benötigen. Erstens wird die kleinere
Kapazität der aktiven Einrichtung dazu beitragen, daß die obige Ungleichung leichter
zu erfüllen ist. Zweitens werden die SQUIDs, in dem Maße1 wie ein ohmisch geshuotetes
Verbindungsmodell für die SOUIDs mit schwachleitender Verbindung verwendet wird,
ein wesentlich kleineres R haben, da sie üblicherweise einen wesentlich höheren
Wert von dI/dV für die Nicht Null-Spannungen aufweisen als ein nicht mit Ableitung
behafteter (non-leaky)-Tunnelübergang Die mit dem SQUID erreichbare kleinere Zellenfläche
erlaubt eine dichtere Packung und größere Speicherfelder, wenn das SPUND anstelle
des Tunnelübergangs als aktives Schaltelement verwendet wird. Die dichtere Packung
verringert ebenfalls die Lese-und Schreib-Zykluszeiten für Felder, die die gleiche
Bit-Anzahl enthalten, wenn SQUIDs anstelle von Tunnelübergängen verwendet werden,
da die Fortschreitverzögerungen entsprechend kleiner sind. Es sei darauf hingewiesen,
daß die Anwendung von schwachleitenden Verbindungen, die aus nicht-supraleitendem
Material gemäß der Erfindung hergestellt wurden, eine signifikante Herstellungssteuerung
bezüglich des differentiellen Widerstandes der Einrichtung erlaubt, wodurch die
gewünschten Kompromisse zwischen den Inpedanzanpassungsanforderungen, wie oben erläutert,
und der Schleifengröße leicht ausgeführt werden können.
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6. Durch Schaltkreise, die die SOUIDs mit schwachleitender Verbindung
anwenden, wird weniger Energie verbraucht als von analogen Schaltkreisen, die Tunnel-Übergänge
anwenden. Dies liegt daran, daß die schnelle Arbeitsweise der Tunnel-Ühergangs-Schaltkreise
fordert, daß die momentane Spannung die supraleitende Bandabstandsspannung, die
während des Schaltüberganges typischerweise größer als 2 Millivolt ist, erreicht.
Die maximale Spannungsauslenkung des SQUIDs mit schwachleitender Verbindung muß
für eine Übertragung eines großen Stromes auf einen parallelen supraleitenden Weg
in der Größenordnung von 0,1 Millivolt sein. Zusätzlich wird vermutet, daß der maximal
benötigte
Strom für einen schnellen Betrieb der SQUID-Einrichtung kleiner ist als der von
Tunnel-Übergängen benötigte.
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Aus Obigem wird darauf hingewiesen, daß für die SOUID-Schaltkreise
mit schwachleitender Verbindung ein verbessertes Geschwindigkeits-Leistungs-Produkt
erwartet wird. Es ist daher eine dichtere Volumenpackung der S#UID-Schaltkreise
möglich, ohne daß Grenzen überschritten werden, die durch Mechanismen übermäßiger
Wärmeerzeugung auferlegt werden, die die Anwendbarkeit verringern könnten oder die
Kosten des kryogenen Rechners vergrößern könnten.
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7. Die Konstruktion des SQUIDs der vorliegenden Erfindung kann zu
einer wirksamen Anwendung der teueren Elektronenstrahllithographie beim Herstellungsprozess
der Einrichtung führen. Das SQUID der vorliegenden Erfindung schafft die wesentlichen,
hier erläuterten Vorteile und benötigt lediglich die Elektronenstrahllithographie,
um eine geringe Anzahl von Mikron- oder Submikron-Löchern herzustellen. Gerade zwei
kurze Strahlbelichtungen pro aktive Einrichtung sind alles, was benötigt wird.
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Folglich ist die Zeit, die benötigt wird, eine Einrichtung in einem
Zyklus zu. behandeln oder eine Röntgenstrahlmaske durch Elektronenstrahllithographie
herzustellen, außerordentlich kurz im Vergleich mit der Zeit, die benötigt wird,
um die vollständigen Maskeneinrichtungen für einen vollständigen Schaltkreis mit
großem Umfang herzustellen, wie es zum Beispiel für die Herstellung einer großflächigen
Bläschenspeichermaske mit kleinen Abmessungen benötigt wird. Mit Ausnahme der Festsetzungen
der schwachleitenden Verbindung kann der Rest des Schaltkreises unter Verwendung
von Standard- und damit billiger Photolithographie hergestellt werden. Es sei darauf
hingewiesen, daß alle Festsetzungen der schwachleitenden Verbindung gleichzeitig
in einem Schritt durchgeführt werden können.
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B. Wie oben erläutert, beeinflussen die Dicke der Isolationsschicht
12, der Abstand zwischen den schwachleitenden Verbindungen 12 und 13 sowie die für
die schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 verwendeten nichtsupraleitenden Materialien
alle die Empfindlichkeit der Regelung des
kritischen Stromes durch
die Einrichtung durch den Strom durch die Steuerleitung. Folglich besitzt das SQUID
der vorliegenden Erfindung drei unabhängige Variable zum Regulieren der Empfindlichkeit.
Eine Vergrößerung der Dicke des Isolators 12 als auch des Abstandes zwischen den
schwachleitenden Verbindungen 13 und 14 vergrößert die Empfindlichkeit, obwohl die
Isolatorschicht im wesentlichen so dick sein muß, wie die Eindringtiefe des magnetischen
Feldes in die supraleitenden Schichten, bevor die Dicke der Isolatorschicht eine
empfindliche Steuerung wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Dicke der Isolatorschicht
leicht wesentlich größer sein kann als die Eindringtiefe des magnetischen Feldes,
wodurch eine feine Regulierung der Ansprechempfindlichkeit des kritischen Stromes
auf die magnetischen Felder geschaffen wird. Diese Empfindlichkeitssteuerung kann
insbesondere durch Verwendung von nicht-gleichförmigen oder Doppelschicht-SOUID-Isolatoren
erreicht werden. Eine Modifizierung des kritischen Stromes der Einrichtung, was
durch die vorliegende Erfindung erlaubt wird, schafft zusätzlich eine Steuerung
der Empfindlichkeit.
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Aus Obenstehendem sei darauf hingewiesen, daß aufgrund des Ouanten-Interferenz-Effektes,
der bei parallelen supraleitenden Wegen auftritt (die schwachleitenden Verbindungen
13 und 14), ein aktiver Schalter, der auf die magnetischen Steuerfelder extrem empfindlich
ist, geschaffen wird. Die Richtung des Stromflusses in der Steuerleitung sollte
vorzugsweise im wesentlichen parallel zu der Richtung sein, die durch die gerade
Linie, die die schwachleitenden Verbindungen verbindet, definiert ist, um eine maximale
Steuerung des Null-Spannungs-Stromes der Einrichtung durch das Magnetfeld zu erhalten,
das durch den durch die Steuerleitung fließenden Strom erzeugt wird.
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Aus Obigem wird darauf hingewiesen, daß die Empfindlichkeit der Steuerung
des zwischen den oberen und unteren Supraleitern der Einrichtung fließenden Stromes
durch das von dem Steuerleitungsstrom erzeugte Magnetfeld durch Einstellung des
Abstandes zwischen den schwachleitenden Verbindungen und durch Steuerung der Dicke
der die schwachleitende Verbindung bildenden Isolationsschicht und durch geeignete
Auswahl
des Wertes des kritischen Stromes verändert werden kann. Weiterhin sei daraufhingewiesen,
daß die die oberen und unteren supraleitenden Schichten trennende Isolationsschicht
vorzugsweise eine nicht gleichförmige Dicke aufweisen kann. Diese Nicht-Gleichförmigkeit
kann durch Aufbringung einer Doppelschicht oder durch ein zweifaches Photolackmaskierungsverfahren
erreicht werden. Die nicht gleichförmige Dicke kann in folgender Weise angewandt
werden. Für die Herstellung von schwachleitenden Verbindungen mit einem bevorzugten
Durchmesser mag eine optimale Isolatordicke existieren. Beispielsweise kann es schwieriger
sein, eine schwachleitende Verbindung mit einem Durchmesser zu schaffen, der wesentlich
kleiner ist als die Höhe des Isolators, als eine mit vergleichbarem oder größeren
Durchmesser. Hiermit in Konflikt stehend kann eine unterschiedliche optimale Dicke
oder ein Material mit einer verschiedenen Dielektrizitätskonstanten als das, das
zur Bildung der schwachleitenden Verbindungen verwendet wird, zum Steuern der Kapazität
der Einrichtung verwendet werden. Eine nicht gleichförmig dicke Schicht oder doppelte
Isolatorschichten würden die Optimierung beider Forderungen ermöglichen, während
eine einzelne gleichförmig dicke Schicht einen Kompromiss erfordern würde.
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Es sei darauf hingewiesen, daß mehrfache Steuerleitungen zum Schaffen
von Logikschaltkreisen mit mehrfachen Eingängen ebenso verwendet werden können,
wie einzelne oder mehrfache Steuerleitungen zusammen mit Vorspannungssteuerleitungen
(bias control lines). Eine Vorspannungssteuerleitung führt dieselbe physikalische
Funktion aus wie die oben beschriebene Steuerleitung, führt jedoch lediglich einen
zeit-invarianten Strom, wodurch der Steuerbereich der Einrichtung vorgespannt wird.
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Die Vorspannungssteuerleitung wirkt dazu, eine ständige Änderung des
Bereiches der Ströme zu verursachen, die in den normalen Steuerleitungen vorhanden
sind, die eine vorgegebene Änderung des kritischen Stromes durch die Einrichtung
bewirken.
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Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß, obwohl das oben beschriebene
Ausführungsbeispiel der Erfindung im Zusammenhang mit der Verwendung von hochschmelzenden
supraleitenden und nicht-supraleitenden Materialien für die Vorzüge, die diese mit
sich bringen, erläutert wurde,
kann die Erfindung ebenfalls unter
Verwendung anderer geeigneter supraleitender und nicht-supraleitender Materialien
ausgeführt werden, Die oben beschriebene SQUID-Einrichtung kann auch für andere
Zwecke, wie z.B# zur Verwendung als Magnetometer angewandt werden, obwohl sie vorzugsweise
als ein aktives Schaltelement anstelle von Josephson-Tunnel-Übergängen angewandt
wird, Es sei darauf hingewiesen, daß durch Anwendung der Lehre der oben beschriebenen
vorliegenden Erfindung SqUID-Einrichtungen hergestellt werden können, die einen
verringerten kritischen Strom und eine größere Ansprechempfindlichkeit auf magnetische
Steuerfelder aufweisen als die beschriebenen, bekannten Einrichtungen0 Folglich
wird die Brauchbarkeit dieser Einrichtungen bei den beabsichtigten Anwendungen vergrößert.
Die vorliegende Erfindung schafft eine wesentliche Verbesserung beim Gebrauch des
SQUIDs mit schwachleitender Verbindung, das als Logik- und Speicherelement arbeitet.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde im Zusammenhang
mit der Herstellung von schwachleitenden Verbindungen aus nichtsupraleitendem Material,
wie z0B. normalem Metall, beschrieben. Der Ausdruck "nicht-supraleitendes Material1:
ist für die Patentansprüche so auszulegen, daß es supraleitendes Material enthält,das
so hergestellt ist, wie oben beschrieben7 daß es eine niedrigere Sprungtemperatur
als die supraleitenden Schichten 10 und 11 aufweist und daher bei der Arbeitstemperatur
der Einrichtung nicht supraleitend ist Aus den obigen Gründen kann das SQUID mit
mehrfach schwachleitender Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung als das aktive
Schaltelement in supraleitenden Josephson-Schaltkreisen anstelle von herkömmlichen
Josephson-Tunnel-Übergängen verwendet werden, jedoch mit einer wesentlich leichteren
Herstellung der integrierten Schaltkreise und mit verbesserter Leistung, wie oben
erläutert R in der Beschreibung erwähnten und in der Zeichnung angegebenen technischen
Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung,