DE3822904A1 - Josephson-element mit oxidkeramischem supraleitermaterial und verfahren zur herstellung des elements - Google Patents
Josephson-element mit oxidkeramischem supraleitermaterial und verfahren zur herstellung des elementsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Josephson-Element mit
schichtartigem Aufbau auf einer Flachseite eines Substrates,
welches Element
- - eine als Basiselektrode dienende Schicht aus einem oxidkera mischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur in einer ersten Ebene,
- - eine als Gegenelektrode dienende Schicht aus supraleitendem Material in einer weiteren, zu der ersten Ebene parallelen Ebene sowie
- - einen zwischen der Basiselektrodenschicht und der Gegenelek trodenschicht verlaufenden Bereich schwacher Kopplung enthält.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Josephson-Elementes. Ein entsprechendes Element
mit den genannten Merkmalen ist aus "Japanese Journal of
Applied Physics", Vol. 26, No. 9, September 1987, Part 2 -
Letters, Seiten L 1443 bis L 1444 bekannt.
Supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtempera
turen T c von insbesondere über 80 K, die deshalb mit flüssigem
Stickstoff gekühlt werden können, sind allgemein bekannt. Ent
sprechende Metalloxidverbindungen basieren beispielsweise auf
einem Stoffsystem des Typs Mel-Me2-Cu-O, wobei die Komponenten
Mel ein Seltenes Erdmetall wie z.B. Y und Me2 ein Erdalkali
metall wie z.B. Ba zumindest enthalten. Filme bzw. dünne
Schichten aus diesen Metalloxidverbindungen werden vielfach mit
speziellen Bedampfungs- oder Sputterprozessen hergestellt.
Hierbei wird im allgemeinen auf einem geeigneten Substrat zu
nächst ein polykristallines oder amorphes Vorprodukt mit den
Komponenten des gewählten Stoffsystems abgeschieden, wobei
der Sauerstoffgehalt und damit die gewünschte Phase noch nicht
exakt eingestellt sind. Dieses Vorprodukt wird anschließend
mittels einer Wärme- und Sauerstoffbehandlung in das Material
mit der gewünschten supraleitenden Phase überführt.
Die so zu erhaltenden supraleitenden Metalloxidphasen, deren
Kristallstrukturen ähnlich der eines Perowskites sein können,
haben im Falle von YBa2Cu3O7-x mit O < × < 0,5 ein orthorhombische
Struktur (vgl. z. B. "Europhysics Letters", Vol. 3, No. 12,
15.6.1987, Seiten 1301 bis 1307). Ihre Sprungtemperatur T c
liegt bei etwa 90 K. Da die diese supraleitenden Phasen auf
weisenden Materialien den Oxidkeramiken zuzurechnen sind, wer
den die entsprechenden Hoch-T c -Supraleiter vielfach auch als
oxidkeramische Supraleiter bezeichnet.
Ein Josephson-Element unter Verwendung eines solchen oxidkera
mischen Supraleitermaterials geht aus der eingangs genannten
Veröffentlichung "Jap.J.Appl.Phys." hervor. Dieses Element
enthält auf einem gesinterten Substrat des Stoffsystems
Y-Ba-Cu-O eine Basiselektrodenschicht aus demselben Material.
Auf dieser Schicht ist eine als Tunnelbarriere wirkende Schicht
aus Al₂O₃ ausgebildet, die von der Basiselektrodenschicht durch
eine wenige Nanometer dicke Au-Schutzschicht getrennt ist. Als
Gegenelektrode dient eine auf die Tunnelbarrierenschicht aufge
brachte Nb-Schicht. Mit der Tunnelbarrierenschicht wird somit
in bekannter Weise eine sogenannte "Weak-Link"-Konfiguration
ausgebildet, d.h. ein Bereich schwacher Kopplung zwischen den
Elektrodenschichten (vgl. z.B. "Proc. IEEE", Vol. 61, No. 1,
Jan. 1973, Seiten 36 bis 45). Es zeigt sich jedoch, daß ein
derartiges Josephson-Tunnelelement bei 77 K die für einen
Einsatz in aktiven elektronischen Schaltungen zu erhebenden
Forderungen nach ausreichender kritischer Stromdichte und
geringem magnetischen Flußrauschen nicht erfüllen kann.
Filme aus oxidkeramischem Hoch-T c -Supraleitermaterial mit hohen
kritischen Stromdichten sind an sich bekannt. Diese Filme
müssen hierzu texturierte Gefüge aufweisen. Sie zeigen nämlich
ein stark anisotropes Verhalten der kritischen Stromdichte
(Stromtragfähigkeit) in Abhängigkeit von der Lage der Kri
stallachsen. Die Herstellung entsprechender YBa2Cu3O7-x -Filme
auf einem einkristallinen SrTiO₃-Substrat ist z. B. in "Physical
Review Letters", Vol. 58, No. 25, 22.6.1987, Seiten 2684 bis
2686 beschrieben. Dementsprechend werden zunächst die drei
metallischen Komponenten des Systems (Y, Ba, Cu) aus getrennten
Verdampfungsquellen in einer Sauerstoffatmosphäre auf das etwa
400°C erhitzte Substrat aufgedampft. Das so erhaltene Vorpro
dukt ist noch fehlstrukturiert. Mittels einer sich bei hoher
Temperatur von etwa 900°C daran anschließenden Behandlung unter
Sauerstoffzufuhr erhält man dann texturierte Schichten mit
orientierten Kristallen der gewünschten supraleitenden Hoch-T c -
Phase. Die so hergestellten Filme zeigen die erwähnte starke
Anisotropie der kritischen Stromdichte. So sind senkrecht zu
den c-Achsen der Kristalle bei 77 K kritische Stromdichten von
105 bis 106 A/cm2 zu messen, während parallel zur c-Achse die
kritische Stromdichte mindestens eine 10er-Potenz kleiner ist.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von einkristallinen
YBa2Cu3O7-x -Filmen mittels Epitaxie ist aus der Veröffent
lichung "Applied Physics Letters", Vol. 51, No. 11, 14.9.1987,
Seiten 861 bis 863 bekannt. Hierzu wird zunächst ein Target
material des entsprechenden Stoffsystems mittels eines Lasers
verdampft und auf einem einkristallinen SrTiO3-Substrat abge
schieden. Der zu verwendende Laser kann ein KrF-Excimer-Laser
sein, dessen Wellenlänge im UV-Spektralbereich liegt und eine
Energiedichte am Targetmaterial von etwa 2 J/cm2 bei einer
Pulsfrequenz von 3 bis 6 Hz ermöglicht. Das Substrat soll hier
bei auf 450°C erhitzt sein (vgl. auch "Appl.Phys.Lett.", Vol.
51, No. 8, 24.8.1987, Seiten 619 bis 621). Die so erhaltene
Schicht ist hinsichtlich der gewünschten supraleitenden Hoch-
T c -Phase ebenfalls fehlstrukturiert. Mittels einer sich daran
anschließenden Wärmebehandlung bei etwa 900°C in einer Sauer
stoffatmosphäre und anschließender langsamer Abkühlung erhält
man dann die gewünschten einkristallinen oder zumindest stark
texturierten Filmschichten der angestrebten Hoch-T c -Phase.
Bei diesen bekannten Verfahren werden die die gewünschte Kri
stallisation erst gewährleistenden Nachbehandlungsschritte
als notwendige Voraussetzung zur Erreichung der angestrebten
hohen kritischen Stromdichten angesehen. Der Aufwand zur
Herstellung entsprechender Schichten ist jedoch erheblich.
Außerdem ist die bei dem Hochtemperaturprozeß ablaufende Rekri
stallisation schwierig zu kontrollieren. Darüber hinaus ist
eine Interdiffusion zwischen dem Filmmaterial und dem Substrat
in vielen Fällen nicht zu vermeiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Josephson-
Element der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten,
daß es sich auf verhältnismäßig einfache Weise herstellen läßt.
Insbesondere soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem
Schichten mit kritischen Stromdichten von mindestens 104 A/cm2
reproduzierbar auszubilden sind, ohne daß der erwähnte Hoch
temperaturprozeß erforderlich wäre.
Diese Aufgabe wird für das Josephson-Element mit den ein
gangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
ein Substrat vorgesehen ist, das eine an die Kristallstruktur
abmessungen der supraleitenden Phase des oxidkeramischen Supra
leitermaterials angepaßte Textur aufweist, daß die Elektroden
schichten mittels eines entsprechend texturierten Abstands
teiles aus isolierendem Material beabstandet sind, wobei eine
Stufe vorbestimmter Stufenhöhe mit Stufenkanten und einer da
zwischen verlaufenden Verbindungsfläche ausgebildet ist, daß
die Elektrodenschichten und der Bereich schwacher Kopplung
aus dem sich über die Stufe erstreckenden oxidkeramischen
Supraleitermaterial mit gleicher geordneter Kristallstruktur
gebildet sind, wobei sich der Bereich schwacher Kopplung längs
der Verbindungsfläche zwischen den Stufenkanten erstreckt und
eine Ausdehnung senkrecht zu den Ebenen von unter 100 nm hat,
sowie daß die Elektrodenschichten eine kritische Stromdichte in
Richtung der Ebenen aufweisen, die mindestens 10 mal größer ist
als in senkrechter Richtung dazu durch den Bereich schwacher
Kopplung.
Bei der Erfindung wird also die Anisotropie der kritischen
Stromdichte des oxidkeramischen Hoch-T c -Supraleitermaterials
zur Ausbildung eines Josephson-Elementes ausgenutzt. Dem
gemäß ist an der Stufe zwischen zwei Schichten hoher kritischer
Stromdichte in den Schichtebenen ein Übergangsbereich ausge
bildet, in dem die kritische Stromdichte senkrecht zu der Aus
dehnungsrichtung dieser Schichten wesentlich kleiner ist. Die
Folge davon ist eine nur schwache Kopplung zwischen den beiden
als Basiselektrode bzw. Gegenelektrode dienenden Schichten
hoher kritischer Stromdichte, so daß dieser Übergangsbereich
quasi ein "Weak Link" zwischen diesen Elektrodenschichten
darstellt. Die parallel zu den Ebenen der Elektrodenschichten
zu messende Querschnittsfläche dieses Bereiches schwacher Kopp
lung kann dabei selbstverständlich nur so groß sein, daß die
angestrebte "Weak-Link"-Funktion gewährleistet ist. Ein der
artiges Josephson-Element kann vorteilhaft die angestrebten
Forderungen hinsichtlich kritischer Stromdichte und Rauscharmut
erfüllen.
Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Josephson-
Element dadurch herstellen, daß zunächst in einem Lithographie
prozeß auf dem Substrat eine Lochmaske mit einer der auszubil
denden Stufe und dem zu erzeugenden Element angepaßten Loch
struktur aufgebracht wird und daß die Schichten des Elementes
durch schräges Aufdampfen bei ununterbrochenen Unterdruckver
hältnissen abgeschieden werden. Hierbei wird vorteilhaft ein
Targetmaterial aus einer Oxidkeramik des Supraleitermaterials
mittels eines gepulsten Lasers, dessen Wellenlänge im Ultra
violett-Spektralbereich liegt, gleichzeitig mit einer Wärme
behandlung und Sauerstoffbehandlung verdampft.
Die mit diesen Verfahrensschritten verbundenen Vorteile sind
insbesondere darin zu sehen, daß quasi "in situ" eine Kri
stallisation der gewünschten supraleitenden Phase zu erreichen
ist und deshalb eine nachträgliche Ausbildung dieser Phase
durch einen besonderen Glühschritt bei hohen Temperaturen nicht
mehr erforderlich wird. Dabei sind für die erfindungsgemäße
In-situ-Kristallisation höhere Substrattemperaturen und
aktivierter Sauerstoff am Substrat notwendig. Zur Aktivierung
des Sauerstoffs kann vorteilhaft ein Laser mit einer hinrei
chend hohen Pulsenergie eingesetzt werden. Der molekulare
Sauerstoff der vorgesehenen Atmosphäre wird dann durch Wech
selwirkung mit der UV-Laserstrahlung direkt an dem geheizten
Substrat mit jedem Puls aktiviert. Die so erzeugte Menge an
Sauerstoffradikalen und die hohe Substrattemperatur reichen
aus, um bei jedem Puls eine etwa 1 nm dicke Schicht epitaktisch
aufwachsen zu lassen. Die bei üblichen Pulsfrequenzen so er
reichbaren hohen Aufwachsraten gewährleisten eine geringe Be
dampfungsdauer und eine geringe Verunreinigung der Schichten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Josephson-
Elementes sowie des Verfahrens zu seiner Herstellung gehen aus
den jeweils abhängigen Ansprüchen hervor.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die
schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein
Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Elementes veran
schaulicht ist. Aus Fig. 2 geht eine weitere Ausbildungsmög
lichkeit eines erfindungsgemäßen Josephson-Elementes hervor.
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung eines Her
stellungsverfahrens. In den Figuren übereinstimmende Teile sind
mit denselben Bezugszeichen versehen.
Das erfindungsgemäße Josephson-Element soll aus einem bekannten
supraleitenden Hoch-T c -Material auf einem vorbestimmten Sub
strat ausgebildet sein. Als Ausführungsbeispiel sei ein Ma
terial aus dem Stoffsystem Mel-Me2-Cu-O ausgewählt. Dabei
können Me1 und Me2 insbesondere ein Element aus der Gruppe der
Seltenen Erdmetalle wie z.B. Y bzw. ein Element aus der Gruppe
der Erdalkalimetalle wie z.B. Ba sein. Neben Y und Ba für Me1
bzw. Me2 geeignete Materialien sind allgemein bekannt. Ge
gebenenfalls sind Me1 und Me2 auch Legierungen oder Verbin
dungen oder sonstige Zusammensetzungen dieser Metalle mit Sub
stitutionsmaterialien; d.h., mindestens eines der genannten
Elemente kann in bekannter Weise partiell durch ein anderes
Element substituiert sein. Auch das Cu oder das O können zumin
dest partiell gegen andere Elemente ausgetauscht werden. Das
erfindungsgemäße Josephson-Element und das Verfahren zu seiner
Herstellung sind jedoch nicht nur auf das genannte Stoffsystem
beschränkt; d.h., es sind ebensogut auch andere oxidkeramische,
metallische Komponenten und Sauerstoff enthaltende Hoch-T c -
Supraleitermaterialien geeignet, die dem genannten System nicht
zuzurechnen sind. Entsprechende Materialien sind z.B. aus
"Superconductivity News", Vol. 1, No. 9, 18.3.1988, Seiten 1
bis 5 und 13 bis 16 bekannt. Die herzustellenden Elektroden
schichten des Josephson-Tunnelelementes sollen dabei eine hohe
Stromtragfähigkeit in der Größenordnung von mindestens
104 A/cm2 in der Nähe der Sprungtemperatur T c des Materials
ermöglichen. Vorteilhaft sind außerdem insbesondere solche
Materialien, deren Sprungtemperatur deutlich über der Ver
dampfungstemperatur des flüssigen Stickstoffs von etwa 77 K
liegen.
Für das Substrat zu wählende Materialien sind vorteilhaft
solche, die eine Struktur mit Abmessungen ihrer Einheitszellen
haben, die zumindest in etwa das Ein- oder Mehrfache der ent
sprechenden Abmessungen der Achsen der auf ihnen aufgewachsenen
Strukturen des supraleitenden Hoch-T C-Materials ausmachen. Aus
diesem Grunde ist im Falle von YBa2Cu3O7-x ein einkristallines
oder zumindest entsprechend texturiertes SrTiO3- oder
(Ba, Sr)TiO3-Substrat besonders vorteilhaft. Daneben sind ebenso
auch andere Werkstoffe wie z. B. MgO, Al₂O₃, Y-stabilisiertes
ZrO₂ oder Ta₂O₅ geeignet. Das erfindungsgemäße Josephson-Ele
ment ist jedoch nicht unbedingt auf derartige einkristalline
oder texturierte Substrate beschränkt. So können gegebenen
falls auch polykristalline Substrate wie z. B. polykristallines,
auf einem geeigneten Träger aufgebrachtes SrTiO₃ vorgesehen
werden.
Als ein konkretes Ausführungsbeispiel sei nachfolgend die er
findungsgemäße Ausbildung mindestens eines Josephson-Elementes
mit einem supraleitenden Material der bekannten Zusammensetzung
YBa2Cu3O7-x mit orthorhombischer Struktur auf einem einkri
stallinen SrTiO₃-Substrat zugrundegelegt. Hierzu ist ein Aufbau
vorgesehen, der in Fig. 1 schematisch als Querschnitt veran
schaulicht ist:
Zur Herstellung des mindestens einen Josephson-Elementes wird
vorteilhaft eine spezielle Lochmasken-Technik angewandt, die
als Schwebemasken-Technik bezeichnet wird. Eine derartige
Schwebemasken-Technik ist allgemein bekannt (vgl. z.B. DE-PS
31 28 982 oder die Veröffentlichung "SQUID ′80 - Supercon
ducting Quantum Interference Devices and their Applications",
Berlin 1980, Seiten 399 bis 415). Gemäß dieser bekannten Tech
nik wird auf dem Substrat 2 mit einer durch Linien 2 a ange
deuteten Textur eine der angestrebten Substratstruktur und der
vorgesehenen Josephson-Elementstruktur entsprechende Schwebe
maske 3 aufgebracht. Diese Schwebemaske, die z.B. aus SiO
besteht, weist eine freitragende Filmbrücke 3 a auf, die in
einer Höhe h von wenigen Mikrometern über dem Substrat schwebt
und eine Spannweite w von etwa 1 µm hat. Zur Schaffung einer
epitaxiefähigen Substratfläche 5, insbesondere im Bereich unter
der Schwebebrücke 3 a, werden nun die unbedeckten Teile der
Substratfläche 5 z.B. durch Ionenbeschuß unter geeigneten
Winkeln von allen Rückständen befreit. Anschließend wird das so
vorbereitete Substrat durch etwa senkrechten Ionenbeschuß ange
ätzt, wobei als Projektion der Schwebebrücke 3 a in der Sub
stratfläche 5 ein Sockel 7 mit zwei Stufen 8 und 9 entsteht.
Die Höhe H der Stufen bzw. des Sockels ist dabei in Abhängig
keit der Dicke des aufzubringenden Hoch-T c -Supraleitermate
rials zu wählen und kann so beispielsweise unter 100 nm liegen.
Sie bestimmt den Abstand zwischen zwei parallelen Ebenen E 1 und
E 2, in denen die Elektrodenschichten des herzustellenden Jo
sephson-Elementes angeordnet werden sollen. Der Sockel 7 kann
deshalb als Abstandsteil zwischen diesen Ebenen angesehen wer
den, welches die Beabstandung der beiden Elektrodenschichten
mit festlegt. In der Figur ist der entsprechend geätzte Zustand
des Substrates 3 veranschaulicht. Von der Stufe 9 sind in der
Figur die Stufenkanten mit K 1 und K 2 und die sich zwischen
diesen Kanten erstreckende seitliche Verbindungsfläche mit 12
bezeichnet. Das so strukturierte Substrat einschließlich
der auf ihm aufgebrachten Schwebemaske 3 wird dann noch
"in situ", d.h., ohne Unterbrechung der für den Ionenbeschuß
vorzusehenden Vakuumbedingungen, unter Sauerstoff geglüht.
Auf das erhitzte Substrat 2 wird anschließend eine Schicht 10
aus dem oxidkeramischen Hoch-T c -Supraleitermaterial schräg
aufgedampft. Zur Erzeugung eines entsprechenden Dampfstrahles
11 wird vorteilhaft ein Laser eingesetzt, der eine hinreichende
Energiedichte und Pulsenergie ermöglicht. Es läßt sich so er
reichen, daß das Hoch-T c -Material epitaktisch oder zumindest
texturiert auf der Substratfläche 5 aufwächst. Der Dampfstrahl
11 trifft auf die Substratfläche 5 unter einem Aufdampfwinkel
α von etwa 45° gegenüber der Normalen auf dieser Fläche auf,
so daß sich die Schicht 10 über die Stufe 9 hinweg erstreckt.
Die Schichtdicke d der Schicht 10 muß dabei kleiner als die
Stufenhöhe H sein. Somit weist die Schicht 10 zwei in den ver
schiedenen parallelen Ebenen E 1 und E 2 liegende Schichtteile
10 a und 10 b auf. Diese Schichtteile sollen dabei die Basis
elektrode bzw. die Gegenelektrode eines Josephson-Elementes
darstellen. Zwischen diesen Schichtteilen 10 a und 10 b erstreckt
sich längs der Verbindungsfläche 12 zwischen den Kanten K 1 und
K 2 der Stufe 9 ein Schichtbereich 13, dem die Funktion der für
ein Josephson-Element typischen schwachen Kopplung zukommt.
Um diese Funktion zu ermöglichen, müssen die als Elektroden
dienenden Schichtteile 10 a und 10 b eine hohe Stromdichte in
Richtung der Schichtebenen E 1 bzw. E 2 gewährleisten. Hierzu
sind die Schichtteile so texturiert, daß die c-Achsen der Kri
stallstruktur ihres Supraleitermaterials, in deren Richtung die
kritische Stromdichte mindestens 10 mal kleiner als in Richtung
der Ebenen E 1 oder E 2 ist, senkrecht auf der Substratfläche 5
stehen. Diese Achsen sind in der Figur durch einzelne gepfeilte
Linien 14 angedeutet. Auch der Schichtbereich 13 ist entspre
chend den beiden Schichtteilen 10 a und 10 b texturiert. Die
Dicke d jedes Schichtteiles 10 a, 10 b ist dabei mit der Entfer
nung (Stufenhöhe H) zwischen den Ebenen E 1 und E 2 korrelliert.
Auf alle Fälle muß der als Basiselektrode dienende Schichtteil
10 a eine Dicke d haben, die unterhalb der Stufenhöhe H liegt.
Insbesondere sollte die Differenz H-d, welche der senkrecht
zu den Ebenen zu messenden Höhe h′ des Schichtbereiches 13
und somit der effektiven Stufenhöhe entspricht, unter 100 nm
liegen. Dieser Wert ist nämlich eine der Voraussetzungen da
für, daß die geforderte schwache Kopplung zwischen den als
Elektroden dienenden Schichtteilen 10 a und 10 b zu gewähr
leisten ist. Ferner muß auch die senkrecht zu seiner Höhe
h′ zu messende maximale Querschnittsfläche q des Bereiches 13
so bemessen sein, daß die für ein Josephson-Element typische
"Weak-Link"-Funktion erreicht wird. Im allgemeinen liegt des
halb q unter 10 µm2. Entsprechende Abmessungen des Schichtbe
reiches 13 können bei einem Abscheideprozeß der Schicht 10 auf
dem gestuften Substrat 2 ohne weiteres realisiert werden. Es
läßt sich also wegen der schichtartigen Anisotropie in dem
Supraleitermaterial zwischen den als supraleitenden Elektroden
dienenden Schichtteilen 10 a und 10 b ein Bereich schwacher
Kopplung ausbilden, der ein "Weak Link" darstellt. In diesem
Bereich mit den angegebenen Abmessungen muß dann nämlich ein
Strom in die ungünstige c-Richtung ausweichen, um von einer
Elektrode zur anderen überzutreten.
Das so hergestellte, allgemein mit 15 bezeichnete Josephson-
Element muß noch mit Anschlußleitern 16 und 17 kontaktiert
werden, wobei die geforderten hohen kritischen Stromdichten
auch im Kontaktbereich zu gewährleisten sind. Hierzu wird das
Substrat 2 mit seiner Schwebemaske 3 und dem abgeschiedenen
Josephson-Element 15 so gedreht, daß ein Einfalls- bzw. Auf
dampfwinkel (-α) eines Dampfstrahles 11′ des Supraleiterma
terials von etwa 45° erhalten wird. Unter den Abscheidebe
dingungen wie für die Schicht 10 kann so ohne Unterbrechung der
Vakuumbedingungen eine zweite Schicht 18 aus dem Supraleiter
material epitaktisch aufwachsen, wobei jedoch die Dicke D
dieser Schicht größer gewählt werden muß als die Stufenhöhe H.
Auf diese Weise wird erreicht, daß im Bereich der Stufe 8 die
Ausbildung eines Bereiches mit nur schwacher Kopplung entspre
chend dem Bereich 13 vermieden wird.
Gemäß Fig. 1 wurde davon ausgegangen, daß die Beabstandung der
beiden Ebenen E 1 und E 2 und die Ausbildung der Stufe 9 des er
findungsgemäßen Josephson-Elementes 15 durch eine entsprechen
de Strukturierung des Substrates 2 zu einem Sockel 7 als Ab
standsteil erreicht wird. Ebenso ist es jedoch auch möglich,
während des Herstellungsprozesses des Josephson-Elementes ein
solches Abstandsteil gesondert auszubilden. Ein Ausführungsbei
spiel hierfür ist in Fig. 2 als Ausschnitt angedeutet, für den
eine Fig. 1 entsprechende Darstellung gewählt ist. Dabei sind
nicht näher erläuterte Verfahrensschritte zur Herstellung eines
Josephson-Elementes 19 entsprechend der Beschreibung zu Fig. 1
durchzuführen.
Abweichend von der Ausführungsform nach Fig. 1 wird auf einem
ebenen Substrat 20 zunächst eine als Basiselektrode dienende
Schicht 21 durch schräges Aufdampfen aufgebracht. Danach wird
auf dieser Schicht 21 durch senkrechtes Aufdampfen eine weitere
Schicht 22 außerhalb des von der Schwebebrücke 3 a abgeschatte
ten Bereiches mit einer Dicke abgeschieden, die der Höhe h′
gemäß Fig. 1 entspricht und deshalb unter 100 nm liegt. Diese
Schicht 22 soll dabei aus einem isolierenden Material bestehen,
das mit der für die supraleitende Schicht gewählten Aufdampf
technik ebenfalls eine Textur erhält, die der Kristallstruktur
des oxidkeramischen Supraleitermaterials angepaßt ist. Ein
geeignetes Material ist z.B. SrTiO3 oder ein PrBaCu-Oxid. Unter
halb des Randes der Schwebebrücke 3 a bildet sich somit eine
Stufe 9 entsprechend Fig. 1 der als Abstandsteil dienenden
isolierenden Schicht 22 aus. Anschließend wird auf den so
gewonnenen Aufbau eine als Gegenelektrode dienende Schicht 23
aus dem oxidkeramischen Supraleitermaterial aufgedampft. Der
Aufdampfwinkel α′ ist dabei so gewählt, daß sich das Material
auch über die Stufe 9 hinweg erstreckt. Hierbei ist α′ < α.
Es läßt sich dann an der Stufe 9 entsprechend Fig. 1 ein
Schichtbereich 13 mit einer vorbestimmten maximalen Quer
schnittsfläche q ausbilden. Dieser Schichtbereich 13 zwischen
dem in einer Ebene E 1 liegenden Teil der Schicht 23 und der in
einer Ebene E 1 liegenden Schicht 21 stellt somit aufgrund
seiner vorbestimmten Abmessungen und seiner anisotropen Kri
stallstruktur die für das erfindungsgemäße Josephson-Element
typische "Weak-Link"-Funktion sicher. Bei dieser Ausführungs
form des Josephson-Elementes 19 sind die Dicken d der Schich
ten 21 und 23 kaum kritisch. Lediglich die Dicke d der Schicht
23 muß deutlich größer als die effektive Stufenhöhe h′ sein.
Um die gewünschte Epitaxie des Hoch-T c -Supraleitermaterials
z.B. auf der gestuften Substratfläche 5 gemäß Fig. 1 oder bei
Verwendung eines gestuften Abstandsteiles 22 gemäß Fig. 2 zu
gewährleisten, wird vorteilhaft ein Laser-Verdampfen einge
setzt. Ein entsprechendes Verfahren ist nachfolgend anhand von
Fig. 3 näher erläutert, wobei eine Ausführungsform eines er
findungsgemäßen Josephson-Elementes nach Fig. 1 zugrundege
legt ist. In Fig. 3 ist schematisch ein Querschnitt durch eine
entsprechende, allgemein mit 25 bezeichnete Abscheidevorrich
tung veranschaulicht. Diese Abscheidevorrichtung enthält eine
Vakuumkammer 26, die an einem Pumpstutzen 27 mittels einer
entsprechenden Pumpe auf einen Enddruck zu evakuieren ist, der
z.B. unter 10-6 mbar liegt. Durch ein Quarzfenster 29 der
Vakuumkammer 26 tritt ein Laserstrahl 30 in die Kammer ein und
trifft dort unter einem Winkel β von beispielsweise etwa 45°
auf ein Target 31 aus dem gewünschten Hoch-T c -Supraleiterma
terial. Das Target ist im Zentrum der Kammer an einem Halter 32
befestigt, der mit Hilfe eines Motors über ein Gestänge 33
gedreht werden kann. Aus dem Target 31 wird das verdampfte
Material als Dampfstrahl 11 senkrecht zur Targetoberfläche
emittiert. Es trifft auf ein Substrat 2, das sich dem Target
gegenüber befindet. Das Substrat 2 soll dabei mit einer Schwebe
maske gemäß Fig. 1 versehen sein, ist jedoch in Fig. 3 nicht
näher ausgeführt. Es ist an einem Substratträger 35 befestigt,
der so geneigt angeordnet ist, daß sich ein Aufdampfwinkel
von etwa 45° gegenüber der Achse des Dampfstrahles 11 ergibt.
Dieser Substratträger 35 ist auf eine Temperatur von mindestens
800°C aufheizbar. Er wird von einem Gestänge 36 gehalten, das
eine Variation des Abstandes a zwischen dem Target 31 und dem
Substrat 2 ermöglicht. So läßt sich z.B. ein Abstand a zwischen
20 mm und 45 mm einstellen. Das Gestänge ist ferner so drehbar
ausgestaltet, daß innerhalb der Vakuumkammer 26 ein Aufdampf
winkel (-α) bezüglich des Dampfstrahles 11 eingestellt werden
kann. Während des Bedampfens läßt sich in der Kammer ein be
liebiger Sauerstoff-Partialdruck p(O2) über einen Gaseinlaß
37 regulieren.
Um während des Aufdampfschrittes in-situ die gewünschte supra
leitende Hoch-T c -Phase des Materials zu erzeugen, wird vor
teilhaft ein gepulster Laser mit einer Wellenlänge λ seiner
Strahlung vorgesehen, die im UV-Spektralbereich liegt. Der hier
interessierende Wellenlängenbereich erstreckt sich dabei von
etwa 110 nm bis 400 nm. Außerdem muß der Laser eine Energie
dichte am Material des Targets 31 hervorrufen können, die über
3 J/cm2 liegt. Darüber hinaus sollte die Pulsenergie des Lasers
mindestens 1,5 J/Puls betragen. Die genannten Forderungen
können insbesondere mit einem an sich bekannten XeCl-Excimer-
Laser erfüllt werden, dessen Strahlung eine Wellenlänge
λ=308 nm hat (vgl. z.B. "Proc. of SPIE", Vol. 735, 1987,
Seiten 50 bis 54). Seine Wiederholungsfrequenz kann beispiels
weise bei 5 Hz liegen. Durch eine Fokussierungsoptik, von der
in Fig. 2 lediglich eine Quarzlinse 38 veranschaulicht ist,
kann von einem derartigen Laser am Target 26 eine Energiedichte
erzeugt werden, die maximal etwa 7,5 J/cm2 beträgt. Im allge
meinen sind Energiedichten von 4 bis 5 J/cm2 ausreichend.
Während des Aufdampfprozesses muß bei diesem Aufdampfverfahren
das Substrat 2 auf einer Temperatur zwischen 600°C und 800°C
gehalten werden, wobei in der Kammer eine Sauerstoffatmosphäre
zwischen 0,02 mbar und 1 mbar eingestellt ist. Ein Sauerstoff-
Partialdruck p(O2) zwischen 0,05 mbar und 0,5 mbar hat sich als
besonders günstig erwiesen.
Vielfach ist es noch vorteilhaft, wenn man den so gewonnenen
Aufbau einer zusätzlichen Sauerstoff-Behandlung unterzieht, um
hiermit eine Sauerstoff-Feineinstellung (-beladung) in dem Kri
stallgefüge der supraleitenden Schichten vorzunehmen. Dabei
kann der Sauerstoff als Gas oder Ionenstrom zugeführt werden.
Diese Behandlung kann man vorteilhaft bei verhältnismäßig nied
rigen Temperaturen, insbesondere unterhalb von 600°C durch
führen. Gegebenenfalls können sogar Temperaturen nahe Raum
temperatur vorgesehen werden.
Gemäß den Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, daß
die Herstellung der Schichten des erfindungsgemäßen Josephson-
Elementes mittels eines Verdampfungsschrittes unter Einsatz
eines Lasers durchgeführt wird, wobei die Wärmebehandlung und
die Sauerstoffbehandlung zur Ausbildung der gewünschten supra
leitenden Metalloxidphase gleichzeitig erfolgen. Ein der
artiges Verfahren ist als besonders vorteilhaft anzusehen. Ge
gebenenfalls können jedoch auch andere Verfahren zum Einsatz
kommen, die eine In-situ-Herstellung der Schichten ermöglichen,
ohne daß dabei zu hohe Temperaturbehandlungen erforderlich
wären, die zu einer unerwünschten Wechselwirkung der für die
Maske vorgesehenen Materialien mit dem gewählten Supraleiter
material führen.
Claims (17)
1. Josephson-Element mit schichtartigem Aufbau auf einer
Flachseite eines Substrates, welches Element
- - eine als Basiselektrode dienende Schicht aus einem oxidkera mischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur in einer ersten Ebene,
- - eine als Gegenelektrode dienende Schicht aus supraleitendem Material in einer weiteren, zu der ersten Ebene parallelen Ebene sowie
- - einen zwischen der Basiselektrodenschicht und der Gegenelek trodenschicht verlaufenden Bereich schwacher Kopplung enthält,
dadurch gekennzeichnet,
- a) daß ein Substrat (2, 20) vorgesehen ist, das eine an die Kristallstrukturabmessungen der supraleitenden Phase des oxidkeramischen Supraleitermaterials angepaßte Textur aufweist,
- b) daß die Elektrodenschichten (10 a, 10 b; 21, 23) mittels eines entsprechend texturierten Abstandsteiles (Sockel 7; Schicht 22) aus isolierendem Material beabstandet sind, wo bei eine Stufe (9) vorbestimmter Stufenhöhe (H) mit Stu fenkanten (K 1, K 2) und einer dazwischen verlaufenden Ver bindungsfläche (12) ausgebildet ist,
- c) daß die Elektrodenschichten (10 a, 10 b; 21, 23) und der Bereich (13) schwacher Kopplung aus dem sich über die Stufe (9) erstreckenden oxidkeramischen Supraleitermaterial mit gleicher geordneter Kristallstruktur gebildet sind, wobei sich der Bereich (13) schwacher Kopplung längs der Verbin dungsfläche (12) zwischen den Stufenkanten (K 1, K 2) er streckt und eine Ausdehnung (h′) senkrecht zu den Ebenen (E 1, E 2) von unter 100 nm hat, sowie
- d) daß die Elektrodenschichten (10 a, 10 b; 21, 23) eine kri tische Stromdichte in Richtung der Ebenen (E 1, E 2) auf weisen, die mindestens 10 mal größer ist als in senkrechter Richtung dazu durch den Bereich (13) schwacher Kopplung.
2. Josephson-Element nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet,
- - daß in das Substrat (2) das Abstandsteil (Sockel 7) mit der Stufe (9) integriert ist,
- - daß die Elektrodenschichten (10 a, 10 b) und der Bereich (13) schwacher Kopplung von einer gemeinsamen, sich über die Stufe (9) hinweg erstreckenden Schicht (10) aus dem Supraleiter material gebildet sind und
- - daß die Basiselektrodenschicht (10 b) eine Dicke (d) hat, die kleiner als die Stufenhöhe (H) ist (Fig. 1).
3. Josephson-Element nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß auf der Basiselektrodenschicht
(21) das Abstandsteil (Schicht 22) angeordnet ist, und daß die
Dicke (d) der Gegenelektrodenschicht (23) größer als die Aus
dehnung (h′) des Bereichs (13) schwacher Kopplung ist (Fig.
2).
4. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich
(13) schwacher Kopplung eine parallel zu den Ebenen (E 1, E 2) zu
messende maximale Querschnittsfläche (q) aufweist, die höch
stens 10 µm2 groß ist.
5. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elek
trodenschichten (10 a, 10 b; 21, 23) mit Anschlußleitern (16, 17)
aus dem oxidkeramischen Supraleitermaterial verbunden sind.
6. Josephson-Element nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Anschlußleiter (16, 17)
eine den Elektrodenschichten (10 a, 10 b; 21, 23) entsprechende
geordnete Kristallstruktur haben.
7. Josephson-Element nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Anschlußleiter (16, 17)
die Elektrodenschichten (10 a, 10 b; 21, 23) überlappen und
zumindest im Überlappungsbereich jeweils eine Dicke (D) haben,
die größer als die Ausdehnung (h′) des Bereichs (13) schwacher
Kopplung ist.
8. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß für das
Substrat (2, 20) ein Material aus der Gruppe SrTiO₃, Al₂O₃,
ZrO₂, MgO vorgesehen ist.
9. Josephson-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß ein oxid
keramisches Supraleitermaterial auf Basis des Stoffsystems
Me1-Me2-Cu-O vorgesehen ist, wobei die metallischen Komponen
ten Mel und Me2 ein Seltenes Erdmetall oder Yttrium bzw. ein
Erdalkalimetall zumindest enthalten.
10. Verfahren zur Herstellung mindestens eines Josephson-
Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß zunächst in einem Litho
graphieprozeß auf dem Substrat (2, 20) eine Lochmaske (3) mit
der auszubildenden Stufe (8, 9) und dem zu erzeugenden Element
(15, 19) angepaßter Lochstruktur aufgebracht wird und daß
die Schichten (10; 10 a, 10 b, 21, 23) des Elementes (15, 19)
durch schräges Aufdampfen bei ununterbrochenen Unterdruckver
hältnissen abgeschieden werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Material eines Targets (31) aus
einer Oxidkeramik des Supraleitermaterials mittels eines ge
pulsten Lasers, dessen Wellenlänge im Ultraviolett-Bereich
liegt, gleichzeitig mit einer Wärmebehandlung und Sauerstoff
behandlung verdampft wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß
- - eine Energiedichte der Laserstrahlung (30) am Target (31) von über 3 J/cm2,
- - eine Pulsenergie des Lasers von mindestens 1,5 J/Puls,
- - eine Aufheizung des Substrates (2, 20) auf eine Temperatur zwischen 600°C und 800°C sowie
- - eine Atmosphäre mit einem Sauerstoff-Partialdruck (p(O2)) zwischen 0,02 mbar und 1 mbar vorgesehen werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß ein XeCl-Excimer-Laser
vorgesehen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß eine Energie
dichte der Laserstrahlung (30) am Target (31) zwischen 4 und
5 J/cm2 vorgesehen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, da
durch gekennzeichnet, daß eine
Sauerstoffatmosphäre mit einem Sauerstoff-Partialdruck (p(O2))
zwischen 0,05 mbar und 0,5 mbar vorgesehen wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, da
durch gekennzeichnet, daß nach dem Ver
dampfungsschritt eine zusätzliche Sauerstoffbehandlung bei
einer Temperatur unterhalb von 600°C vorgenommen wird.
Priority Applications (3)
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DE3128982C2 (de) * | 1981-07-22 | 1985-12-12 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Verfahren zur Herstellung mindestens eines Josephson-Tunnelelementes |
Non-Patent Citations (5)
Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3822904C2 (de) | 1992-09-03 |
EP0423178A1 (de) | 1991-04-24 |
WO1990000816A1 (de) | 1990-01-25 |
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