DE3822905A1

DE3822905A1 - Josephson-tunnelelement mi metalloxidischem supraleitermaterial und verfahren zur herstellung des elements

Info

Publication number: DE3822905A1
Application number: DE3822905A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Daalmans; Bernhard Roas; Eckhardt Dr Hoenig
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-07-06
Filing date: 1988-07-06
Publication date: 1990-01-11
Also published as: DE3822905C2; WO1990000815A1; EP0424422A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Josephson-Tunnelelement mit sandwichartigem Schichtaufbau auf einer Flachseite eines Sub strates, welches Element

- eine als Basiselektrode dienende Schicht aus einem metall oxidischen Supraleitermaterial mit vorbestimmter Kristall struktur in einer ersten Ebene,
- eine als Gegenelektrode dienende Schicht aus dem Supraleiter material mit der vorbestimmten Kristallstruktur in einer weiteren, zu der ersten Ebene parallelen Ebene

sowie

- eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete, als Tunnelbarriere wirkende Sperrschicht, die aus einem metall oxidischen, nicht-supraleitenden Material mit einer an die Kristallstruktur des Supraleitermaterials angepaßten Kri stallstruktur besteht,

enthält.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Josephson-Tunnelelementes. Ein entsprechendes Element mit den genannten Merkmalen sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung sind aus der US-PS 43 16 785 bekannt.

Josephson-Tunnelelemente mit sandwichartigem Aufbau stellen einen besonderen Typ von Josephson-Elementen dar. Sie ent halten im allgemeinen eine schichtförmige Basiselektrode aus supraleitendem Material, auf der eine dünne Sperrschicht aus einem isolierenden, halbleitenden oder normalleitenden Material aufgebracht ist. Diese Sperrschicht bildet eine Tunnelbarriere zwischen der Basiselektrode und einer auf der Sperrschicht abgeschiedenen Gegenelektrode, die ebenfalls aus supraleitendem Material besteht. Die Tunnelbarrierenschicht stellt dabei in bekannter Weise ein sogenanntes "Weak Link", d. h. eine Zone schwacher Kopplung zwischen den Elektrodenschichten dar (vgl. z. B. "Proc. IEEE", Vol. 61, No. 1, Jan. 1973, Seiten 36 bis 45).

Einen entsprechenden Aufbau weist auch das aus der eingangs ge nannten US-PS zu entnehmende Josephson-Tunnelelement auf. Als Material der beiden Elektroden dieses Elementes dient das su praleitende Material BaPb_{1 -} _xBi_xO₃ (mit 0,05 × 0,3) mit perowskitartiger Kristallstruktur und einer Sprungtemperatur T_c von etwa 13 K. Die Tunnelbarrierenschicht besteht dabei aus einem nicht-supraleitenden Material, das ebenfalls eine ent sprechende perowskitartige Kristallstruktur aufweist. Damit sind in dem Element mechanische Spannungen bei Temperaturwech seln zu unterbinden.

Seit supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprung temperaturen T_c von insbesondere über 80 K bekannt sind, die deshalb mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können, ist man bestrebt, Josephson-Tunnelelemente aus entsprechenden Metall oxidverbindungen herzustellen. Ein bekanntes Stoffsystem für diese Metalloxidverbindung ist vom Typ Mel-Me2-Cu-O, wobei die Komponenten Mel ein Seltenes Erdmetall oder Y und Me2 ein Erd alkalimetall zumindest enthalten. Filme bzw. dünne Schichten aus diesen Metalloxidverbindungen werden vielfach mit speziellen Bedampfungs- oder Sputterprozessen hergestellt. Da bei wird im allgemeinen auf einem geeigneten Substrat zunächst ein polykristallines oder amorphes Vorprodukt mit den Kompo nenten des gewählten Stoffsystems abgeschieden, wobei der Sauerstoffgehalt und damit die gewünschte supraleitende Hoch- T_c-Phase noch nicht exakt eingestellt sind. Dieses Vorprodukt wird anschließend mittels einer Wärme- und Sauerstoffbehand lung 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 YBa₂Cu₃O_{7 -} _x (mit O< × <0,5) eine ortho rhombische Struktur (vgl. z. B. "Europhysics Letters", Vol. 3, No. 12, 15. 6. 1987, Seiten 1301 bis 1307). Ihre Sprungtempera tur T _c liegt bei etwa 90 K. Da die diese supraleitenden Phasen aufweisenden Materialien den Oxidkeramiken zuzurechnen sind, werden die entsprechenden Hoch-T _c-Supraleiter vielfach auch als oxidkeramische Supraleiter bezeichnet.

Ein Josephson-Tunnelelement unter Verwendung eines solchen oxidkeramischen Hoch-T _c-Supraleitermaterials geht aus der Ver öffentlichung "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 26, No. 9, September 1987, Part 2 - Letters, Seiten L1443 bis L1444 hervor. Dieses Element enthält auf einem gesinterten Substrat des Stoffsystems Y-Ba-Cu-O eine Basiselektrodenschicht aus dem selben Material. Auf dieser Schicht ist eine als Tunnelbarriere wirkende Schicht aus Al₂O₃ ausgebildet, die von der Basiselek trodenschicht durch eine wenige nm dicke Au-Schicht getrennt ist. Als Gegenelektrode dient eine auf die Tunnelbarrieren schicht aufgebrachte Nb-Schicht. Es zeigt sich jedoch, daß dieses bekannte Josephson-Tunnelelement bei 77 K die für einen Einsatz in aktiven elektronischen Schaltungen zu erhebenden Forderungen hinsichtlich 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 zumindest ein texturiertes Gefüge aufweisen. Sie zeigen nämlich ein stark anisotropes Verhalten ihrer kritischen Stromdichte (Stromtragfähigkeit) in Abhängigkeit von der Lage der Kristallachsen. Die Herstellung entsprechender YBa₂Cu₃O_{7 -} _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. Um dabei texturierte Schichten mit orientierten Kristallen der gewünschten supraleitenden Hoch- T _c-Phase zu erhalten, ist jedoch eine Glühbehandlung bei hoher Temperatur von etwa 900°C erforderlich. Entsprechend herge stellte Filme können senkrecht zu den c-Achsen ihrer Kristalle bei 77 K kritische Stromdichten von über 10⁵A/cm² haben, während parallel zu den c-Achsen die kritische Stromdichte mindestens eine 10er-Potenz kleiner ist.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von einkristallinen YBa₂Cu₃O_{7 -} _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). Auch hier ist eine abschließende Wärmebehandlung bei etwa 900°C in einer Sauer stoffatmosphäre und anschließende langsame Abkühlung erfor derlich.

Bei diesem 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 Her stellung entsprechender Schichten ist jedoch erheblich. Außer dem ist die bei einem entsprechenden Hochtemperaturprozeß ab laufende Kristallisation schwierig zu kontrollieren. Insbeson dere ist eine Interdiffusion zwischen dem Filmmaterial und dem Substrat in vielen Fällen nicht zu vermeiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Josephson-Tunnelelement anzugeben, bei dem diese Probleme zu mindest weitgehend vermieden sind. Insbesondere soll das Element mit einem Verfahren herstellbar sein, mit dem kritische Stromdichten in den supraleitenden Schichten von mindestens 10⁴ A/cm² reproduzierbar auszubilden sind.

Diese Aufgabe wird für das Josephson-Tunnelelement mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrodenschichten jeweils aus einem oxidkeramischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur und mit geord neter Kristallstruktur bestehen, so daß die Elektrodenschichten eine hohe kritische Stromdichte in Richtung der Ebenen auf weisen, und daß ein Substrat vorgesehen ist, welches eine an die Kristallstrukturabmessungen der supraleitenden Phase des oxidkeramischen Supraleitermaterials angepaßte Textur aufweist.

Bei der Erfindung wird also die besondere Kristallstruktur der supraleitenden oxidkeramischen Hoch-T _c-Phase zur Ausbildung eines Josephson-Tunnelelementes berücksichtigt. Diese Kristall struktur kann dabei vorteilhaft auf einem entsprechend texturierten Substrat erhalten werden. Demgemäß sind die beiden Elektrodenschichten hoher kritischer Stromdichte durch eine dünne Sperrschicht beabstandet, die eine diese Schichten nur schwach koppelnde Tunnelbarriere darstellt. Die vorbestimmte Kristallstruktur dieser Tunnelbarriere erleichtert dabei die Ausbildung der Gegenelektrodenschicht hoher kritischer Strom dichte. Ein derartiges Josephson-Tunnelelement kann somit vor teilhaft die angestrebten Forderungen hinsichtlich kritischer Stromdichte und Rauscharmut erfüllen.

Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Josephson- Tunnelelement dadurch herstellen, daß zunächst in einem Litho graphieprozeß auf dem Substrat eine Lochmaske mit dem zu er zeugenden Tunnelelement angepaßter Lochstruktur aufgebracht wird und daß anschließend bei ununterbrochenen Unterdruckver hältnissen die Schichten des Tunnelelementes durch schräges Aufdampfen bei gleichzeitiger Wärmebehandlung und Sauerstoffbe handlung abgeschieden werden, wobei die gewünschte supralei tende Phase des Supraleitermaterials ausgebildet wird. Zum Auf dampfen des Supraleitermaterials wird vorteilhaft ein Target material aus einer Oxidkeramik dieses Materials mittels eines gepulsten Lasers verdampft, dessen Wellenlänge im Ultraviolett- Spektralbereich liegt.

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 auf eine nachträgliche Ausbildung dieser Phase mittels eines beonderen Glühschrittes bei sehr hohen Tempera turen verzichtet werden kann. Dabei sind für die erfindungsge mäße In-situ-Kristallisation höhere Substrattemperaturen und aktivierter Sauerstoff am Substrat notwendig. Zur Aktivierung des Sauerstoffs kann vorteilhaft ein Laser mit einer ver hältnismäßig hohen Pulsenergie eingesetzt werden. Der moleku lare Sauerstoff der vorgesehenen Atmosphäre wird dann durch Wechselwirkung mit der UV-Laserstrahlung direkt an dem ge heizten Substrat mit jedem Laserpuls aktiviert. Die dabei er zeugte Menge an Sauerstoffradikalen und die höhere Substrat temperatur reichen aus, um bei jedem Puls eine etwa 1 nm dicke Schicht epitaktisch aufwachsen zu lassen. Die bei üblichen Pulsfrequenzen so erreichbaren hohen Aufwachsraten gewähr leisten eine geringe Bedampfungsdauer und eine geringe Ver unreinigung der Schichten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Josephson- Tunnelelementes sowie des Verfahrens zu seiner Herstellung gehen aus den jeweils abhängigen Ansprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 schematisch die Her stellung eines Josephson-Tunnelelementes veranschaulicht ist.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Dabei sind in den Figuren übereinstimmende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Das erfindungsgemäße Josephson-Tunnelelement soll aus einem be stimmten supraleitenden Hoch-T _c-Material auf einem vorbe stimmten Substrat ausgebildet sein. Als Ausführungsbeispiel sei ein Material aus dem Stoffsystem Mel-Me2-Cu-O ausgewählt. Dabei können Mel 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 Mel bzw. Me2 geeignete Materialien sind allgemein bekannt. Ge gebenenfalls sind Mel 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 zu mindest parallel gegen andere Element ausgetauscht werden. Das erfindungsgemäße Josephson-Tunnelelement und das Verfahren zu seiner Herstellung sind jedoch nicht nur auf das genannte Stoff system beschränkt; d. h., es sind ebensogut auch andere oxidkera mische, 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, 19. 3. 1988, Seiten 1 bis 5 und 13 bis 16 bekannt. Die aus dem bestimmten Hoch-T _c-Supraleitermaterial herzustellenden Elektrodenschichten des Josephson-Tunnelelementes sollen dabei eine hohe Stromtrag fähigkeit (kritische Stromdichte) in der Größenordnung von mindestens 10⁴ A/cm² in der Nähe der Sprungtemperatur T _c des Materials ermöglichen. Vorteilhaft sind außerdem insbeson dere solche Materialien, deren Sprungtemperatur deutlich über der Verdampfungstemperatur 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 YBa₂Cu₃O_{7 -} _x ein einkristallines oder zumindest texturiertes SrTiO₃- oder (Ba,Sr)TiO₃-Substrat besonders vorteilhaft. Daneben sind ebenso auch andere Werk stoffe wie z. B. MgO, Al₂O₃, Y-stabilisiertes ZrO₂ oder Ta₂O₅ geeignet. Das erfindungsgemäße Josephson-Tunnelelement ist jedoch nicht unbedingt auf derartige texturierte Substrate beschränkt. So können gegebenenfalls 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-Tunnel elementes mit einem supraleitenden Material der bekannten Zu sammensetzung YBa₂Cu₃O_{7 -} _x mit orthorhombischer Struktur auf einem texturierten SrTiO₃-Substrat zugrundegelegt. Hierzu ist ein Aufbau vorgesehen, der in Fig. 1 schematisch als Quer schnitt veranschaulicht ist.

Zur Herstellung des mindestens einen Josephson-Tunnelelementes 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, dessen Textur durch gestrichelte Linien 2 a angedeutet sein soll, zunächst eine der angestrebten Josephson-Tunnelelementstruktur angepaßte Schwebemaske 3 auf gebracht. 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 Spann weite w von etwa 1 µm hat. Zur Schaffung einer epitaxiefähigen Substratfläche 5, insbesondere auch im Bereich unter der Schwebebrücke 3 a, werden nun die unbedeckten Teile der Sub stratfläche 5 z. B. durch Ionenbeschuß unter geeigneten Winkeln von allen Rückständen befreit. Das Substrat einschließlich der auf ihm aufgebrachten Schwebemaske 3 wird dann noch "in situ", d. h. ohne Unterbrechung der für den Ionenbeschuß vorzusehenden Vakuumbedingungen, in Sauerstoff geglüht.

Um die geforderten Eigenschaften des nun herzustellenden Jo sephson-Tunnelelementes zu ermöglichen, müssen die als Elek troden dienenden Schichten eine hohe kritische Stromdichte in Richtung ihrer Schichtebenen gewährleisten. Wegen der Aniso tropie der bekannten Hoch-T _c-Supraleitermaterialien ist es hierzu erforderlich, daß die supraleitenden Elektrodenschich ten so texturiert ausgebildet werden, daß die c-Achsen ihrer Kristallstrukturen senkrecht auf der Substratfläche 5 stehen. In dieser Richtung ist die kritische Stromdichte wesentlich kleiner als senkrecht dazu. Die c-Achsen sind in der Figur durch einzelne gepfeilte Linien 6 angedeutet.

Um eine entsprechende epitaktische bzw. texturierte Deposition des für das Ausführungsbeispiel ausgewählten oxidkeramischen Hoch-T _c-Supraleitermaterials zu ermöglichen, kann insbesondere eine spezielle Laser-Verdampfungstechnik angewandt werden. Dementsprechend wird auf das erhitzte Substrat 2 eine erste Schicht 7 aus dem Supraleitermaterial schräg aufgedampft. Zur Erzeugung eines entsprechenden Dampfstrahles 9 wird vorteilhaft ein gepulster Excimer-Laser eingesetzt, der eine hinreichende Energiedichte und Pulsenergie ermöglicht. Der Dampfstrahl 9 soll dabei unter einem Aufdampfwinkel α auftreffen, der um etwa 45° gegenüber der Ebene der Substratfläche 5 geneigt ist. Auf diese Weise wird auch der unter der Schwebebrücke 3 a lie gende Bereich der Substratfläche 5 beschichtet. Die Schicht dicke d der in einer ersten Ebene E 1 liegenden Schicht 7 kann z. B. in der Größenordnung von etwa 100 nm liegen.

Die so erhaltene erste Schicht stellt die Basiselektrode BE des herzustellenden Josephson-Tunnelelementes dar, auf die nun in situ eine sehr dünne Sperrschicht 10 aufgebracht wird. Diese als Tunnelbarriere wirkende Schicht mit einer für eine schwache Kopplung typischen Schichtdicke δ von wenigen nm soll vor teilhaft aus einem nicht-supraleitenden Material erstellt wer den, dessen Kristallstruktur an die des Supraleitermaterials angepaßt ist. So kommen im Fall des gewählten Ausführungsbei spieles mit YBa₂Cu₃O_{7 -} _x als Supraleitermaterial Sperrschichten 10 insbesondere aus nicht-supraleitenden Oxidkeramiken in Frage, bei denen das Element Y des genannten Stoffsystems des Supraleitermaterials gegen ein anderes Seltenes Erdmetall aus getauscht ist. Ein entsprechendes Material ist z. B. eine Pr-Ba-Cu-Oxidkeramik. Diese Oxidkeramik wird mit derselben Technik wie das supraleitende Material der Schicht 7 aus der Gegenrichtung unter einem Aufdampfwinkel (180-β) aufge dampft. Der entsprechende Dampfstrahl ist in der Figur mit 11 bezeichnet. Hierbei wird jedoch zweckmäßig ein geringfügig fla cherer Aufdampfwinkel gewählt; d. h., es gilt: |a|<|β|. Auf diese Weise bleibt einerseits ein Bereich der Basiselek trode BE für eine spätere Kontaktierung frei; andererseits wird auch eine saubere Abdeckung der Flanke 7′ der Basiselek trode erreicht.

Auf diesen so erhaltenen, bis zu einer parallelen Ebene E 2 her anreichenden Aufbau mit der Basiselektrode BE und der Sperr schicht 10 wird anschließend eine als Gegenelektrode GE dienen de zweite Schicht 12 aus dem Supraleitermaterial ebenfalls durch epitaktische Laser-Deposition aufgebracht. Hierbei wird zweckmäßig ein Aufdampfwinkel (180-α) für den entsprechenden Dampfstrahl 13 vorgesehen. Die Dicke D der zweiten Schicht 12 sollte dabei deutlich (mindestens 1,5mal) größer als die Dicke d der ersten Schicht 7 sein. Auf diese Weise ist auch im Be reich der Flanke 7′ über die somit ausgebildete Stufe der Schicht 12 die geforderte hohe kritische Stromdichte zu gewähr leisten.

Die Elektroden des so hergestellten, allgemein mit 15 bezeich neten Josephson-Tunnelelementes müssen mit Anschlußleitern kontaktiert sein. Hierbei müssen auch im Kontaktbereich die geforderten hohen kritischen Stromdichten gewährleistet sein. Aus diesem Grunde wird auch für die Anschlußleiter eine epitaktische Abscheidung wie für die supraleitenden Schichten der Elektroden des Josephson-Tunnelelementes 15 vorgesehen. Gemäß dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wer den aufgrund der gewählten Abmessungen der Schwebemaske und der gewählten Aufdampfwinkel Teile der Anschlußleiter 16 und 17 gleichzeitig mit den Elektroden ausgebildet.

Um die gewünschte Epitaxie der einzelnen Schichten des Josephson-Tunnelelementes auf der jeweils darunterliegenden Fläche zu ermöglichen, wird vorteilhaft das erwähnte Laser-Ver dampfen eingesetzt, das nachfolgend anhand von Fig. 2 prin zipiell erläutert wird. In dieser Figur ist schematisch ein Querschnitt durch eine entsprechende, allgemein mit 20 be zeichnete Abscheidevorrichtung zum Zeitpunkt der Ausbildung der Schicht der Basiselektrode veranschaulicht. Die Abscheidevor richtung enthält eine Vakuumkammer 21, die an einem Pump stutzen 22 mittels einer entsprechenden Pumpe auf einen End druck zu evakuieren ist, der z. B. unter 10^-6 mbar liegt. Durch ein Quarzfenster 24 der Vakuumkammer 21 tritt ein Laserstrahl 25 in die Kammer ein und trifft dort unter einem Winkel γ von beispielsweise von etwa 45° auf ein erstes Target 26 aus dem gewünschten Hoch-T _c-Supraleitermaterial. Das an einem Halter 27 befestigte Target befindet sich dabei im Zentrum der Kammer. Es kann mit Hilfe eines drehbaren Gestänges 28 gegen ein entspre chend gehaltertes Target 26′ aus dem nicht-supraleitenden Mate rial der Tunnelbarriere ausgetauscht werden. Gegebenenfalls kann das jeweils dem Laserstrahl ausgesetzte Target zusätzlich noch bewegt werden, um so den Strahl nicht nur auf einen einzi gen Fleck des Targets auftreffen zu lassen. Aus dem Target 26 wird das verdampfte Material als Dampfstrahl 9 senkrecht zur Targetoberfläche emittiert. Es trifft auf das Substrat 2, das sich dem Target gegenüber befindet. Das Substrat 2 soll dabei mit einer Schwebemaske gemäß Fig. 1 versehen sein, ist jedoch in Fig. 2 nicht näher ausgeführt. Es ist an einem Substrat träger 30 befestigt, der heizbar ausgebildet ist. Auf diese Weise läßt sich das Substrat während des Bedampfungsprozesses vorteilhaft auf einem erhöhten Temperaturniveau halten. Außer dem ist die Neigung des Substratträgers 30 und damit des Sub strates gegenüber der Achse des Dampfstrahles 9 mittels eines entsprechend ausgebildeten Gestänges einstellbar, um so die verschiedenen Aufdampfwinkel zu erhalten. Gemäß der Darstellung der Fig. 2 ist das Substrat um etwa 45° = 90-α geneigt angeordnet. Darüber hinaus ermöglicht das Gestänge 31 eine Variation des Abstandes a zwischen dem Target 26 und dem Sub strat 2. Es läßt sich so z. B. ein Abstand a zwischen 20 mm und 45 mm einstellen. Gegebenenfalls ist auch das Gestänge 31 drehbar ausgestaltet. Ferner läßt sich in der Kammer 21 ein be liebiger Sauerstoff-Partialdruck p(O₂) über einen Gaseinlaß 32 einregulieren.

Um während des Aufdampfschrittes in situ die gewünschte supra leitende Hoch-T _c-Phase aus dem oxidkeramischen Material zu er zeugen, wird vorteilhaft ein gepulster Laser mit einer Wellen länge λ seiner Strahlung 25 vorgesehen, die im UV-Spektralbe reich liegt. Der dabei interessierende Wellenlängenbereich er streckt sich von etwa 110 nm bis 400 nm. Außerdem muß der Laser eine Energiedichte am Material des Targets 26 hervorrufen können, die über 3 J/cm² liegt. Darüber hinaus sollte die Puls energie des Lasers mindestens 1,5 J/Puls betragen. Die genann ten Forderungen können insbesondere mit einem an sich bekannten XeCl-Excimer-Laser erfüllt werden, dessen Strahlung 25 eine Wellenlänge λ = 308 nm hat (vgl. z. B. "Proc. of SPIE", Vol. 735, 1987, Seiten 50 bis 54). Seine Wiederholungsfrequenz kann beispielsweise bei 5 Hz liegen. Durch eine Fokussierungsoptik, von der in Fig. 2 lediglich eine Quarzlinse 33 veranschaulicht ist, kann von einem derartigen Laser am Target 26 oder 26′ eine Energiedichte erzeugt werden, die maximal 7,5 J/cm² beträgt. Im allgemeinen sind Energiedichten von 4 bis 5 J/cm² ausreichend. Während des Aufdampfprozesses muß 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) zwi schen 0,05 mbar und 0,5 mbar hat sich als besonders günstig er wiesen.

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 durchfüh ren. Gegebenenfalls kann auf eine besondere Erwärmung sogar verzichtet werden.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß die Herstellung der Schichten des erfindungsgemäßen Josephson- Tunnelelementes mittels eines Verdampfungsschrittes unter Ein satz eines Lasers durchgeführt wird, wobei die Wärmebehandlung und die Sauerstoffbehandlung zur Ausbildung der gewünschten supraleitenden 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 einzelnen Schichten ermöglichen, ohne daß dabei zu hohe Temperaturbehandlungen er forderlich wären, die zu einer unerwünschten Wechselwirkung der für die Maske vorzusehenden Materialien mit dem gewählten Supraleitermaterial führen.

Claims

1. Josephson-Tunnelelement mit sandwichartigem Aufbau auf einer Flachseite eines Substrates, welches Element

- eine als Basiselektrode dienende Schicht aus einem metall oxidischen Supraleitermaterial mit vorbestimmter Kristall struktur in einer ersten Ebene,
- eine als Gegenelektrode dienende Schicht aus dem Supraleiter material mit der vorbestimmten Kristallstruktur in einer wei teren, zu der ersten Ebene parallelen Ebene

sowie

- eine zwischen den Elektrodenschichten angeordnete, als Tunnelbarriere wirkende Schicht, die aus einem metalloxidi schen, nicht-supraleitenden Material mit einer an die Kri stallstruktur des Supraleitermaterials angepaßten Kristall struktur besteht,

enthält, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Elektrodenschichten (7, 12) jeweils aus einem oxid keramischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur und mit geordneter Kristallstruktur bestehen, so daß die Elektrodenschichten (7, 12) eine hohe kritische Stromdichte in Richtung der Ebenen (E 1, E 2) aufweisen,

und

- daß ein Substrat (2) vorgesehen ist, welches eine an die Kristallstrukturabmessungen der supraleitenden Phase des oxidkeramischen Supraleitermaterials angepaßte Textur (2 a) aufweist.

2. Josephson-Tunnelelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (12) der Gegen elektrode (GE) die Schicht (7) der Basiselektrode (BE) unter Ausbildung einer Stufe überlappt und zumindest im Bereich der Stufe eine Dicke (D) hat, die größer als die Dicke (d) der Basiselektrodenschicht (7) ist.

3. Josephson-Tunnelelement nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die Elektro denschichten (7, 12) mit Anschlußleitern (16, 17) aus dem oxid keramischen Supraleitermaterial verbunden sind.

4. Josephson-Tunnelelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleiter (16, 17) eine den Elektrodenschichten (7, 12) entsprechend geordnete Kristallstruktur haben.

5. Josephson-Tunnelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Sub strat (2) ein Material aus der Gruppe SrTiO₃, Al₂O₃, ZrO₂ und MgO vorgesehen st.

6. Josephson-Tunnelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oxid keramisches Supraleitermaterial auf der Basis des Stoffsystems Mel-Me2-Cu-O vorgesehen ist, wobei die metallischen Kompo nenten Mel und Me2 ein Seltenes Erdmetall oder Yttrium bzw. ein Erdalkalimetall zumindest enthalten.

7. Verfahren zur Herstellung mindestens eines Josephson-Tunnel elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst in einem Litho graphieprozeß auf dem Substrat (2) eine Lochmaske (3) mit dem zu erzeugenden Tunnelelement (15) angepaßter Lochstruktur auf gebracht wird und daß anschließend bei ununterbrochenen Unter druckverhältnissen die Schichten (7, 10, 12) des Tunnelelemen tes (15) durch schräges Aufdampfen bei gleichzeitiger Wärmebe handlung und Sauerstoffbehandlung abgeschieden werden, wobei die gewünschte supraleitende Phase des Supraleitermaterials ausgebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß zumindest das Material eines Targets (26) aus einer Oxidkeramik des Supraleitermaterials mittels eines gepulsten Lasers, dessen Wellenlänge (λ) im Ultra violett-Bereich liegt, verdampft wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß

- eine Energiedichte der Laserstrahlung (25) am Target (26) von über 3 J/cm²,
- eine Pulsenergie des Lasers von mindestens 1,5 J/Puls,
- eine Aufheizung des Substrates (2) auf eine Temperatur zwi schen 600° und 800°C

sowie

- eine Atmosphäre mit einem Sauerstoff-Partialdruck (p(O₂)) zwischen 0,02 mbar und 1 mbar

vorgesehen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, daß ein XeCl-Excimer-Laser vor gesehen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß eine Energie dichte der Laserstrahlung (25) am Target (26) zwischen 4 und 5 J/cm² vorgesehen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß eine Sauer stoffatmosphäre mit einem Sauerstoff-Partialdruck (p(O₂)) zwischen 0,05 mbar und 0,5 mbar vorgesehen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß nach dem Ver dampfungsschritt eine zusätzliche Sauerstoffbehandlung bei einer Temperatur unterhalb von 600°C vorgenommen wird.