DE3881294T2

DE3881294T2 - Supraleitende Anordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Info

Publication number: DE3881294T2
Application number: DE88302880T
Authority: DE
Inventors: Atsuki Inoue; Hideomi Koinuma; Yoichi Okabe
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 1987-07-28
Filing date: 1988-03-30
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2008-03-31
Also published as: JPS6431475A; EP0301675B1; CA1314109C; US5102862A; EP0301675A2; DE3881294D1; EP0301675A3; US5155094A; JPH0530309B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Technik zum Herstellen einer Anordnung mit Hilfe eines supraleitenden Phänomens, insbesondere auf eine Technik zum Herstellen eines tunnelbildenden Josephson-Elements.
Es wurde versucht, eine Festkörper-Anordnung, wie zum Beispiel ein Josephson-Element herzustellen unter Verwendung eines gut bekannten Supraleiters, wie zum Beispiel Blei, Niobium, oder einer Legierung oder Verbindung davon, als Elektrodenmaterial. Das Josephson-Element mit diesen metallischen Supraleitern steht aufgrund von während der letzten zehn Jahre durchgeführten Forschungsarbeiten kurz vor der Verwendung in der Praxis.
Die kritische Temperatur Tc dieser Supraleiter ist jedoch eine äußerst niedrige absolute Temperatur von, im fall von Nb&sub3;Ge, höchstens 23 K, so daß es für den Betrieb des Elements erforderlich ist, flüssiges Helium zu verwenden. Die Verwendung von flüssigem Helium ist im allgemeinen ein großes Hindernis für die häufige Verwendung eines Josephson-Elements. Außerdem ist eine wesentliche Geschwindigkeit der supraleitenden Anordnung durch eine inhärente Energielücke des Supraleiters begrenzt. Es wurde gezeigt, daß diese Energielücke theoretisch proportional zu der kritischen Temperatur ist. Daher legt die niedrige kritische Temperatur eine Grenzgeschwindigkeit der supraleitenden Anordnung fest.
Vor kurzem wurde geklärt, daß der bekannte Oxid-Supraleiter, wie zum Beispiel die Y-Ba-Cu-O-Reihe, bei einer relativ hohen Temperatur (über 90 K) betriebsfähig ist, und daß der Oxid-Supraleiter eine große Supraleitungs-Lückenspannung hat, die zehnmal so groß ist wie bei dem früheren Supraleiter. Hinsichtlich der obigen zwei Punkte ist das Josephson-Element bei Verwendung dieser Materialien, verglichen mit den früheren Anordnungen, sehr interessant, wobei angenommen wird, daß es in der Praxis industriell nutzbar ist. Wenn der Isolator als Tunnelbarriere abgeschieden wird, neigen diese supraleitenden Oxide jedoch dazu, an der Grenzfläche zwischen dem Isolator und den supraleitenden Oxiden eine Reaktion hervorzurufen. Daher wird die supraleitende Eigenschaft auf der Seite des Supraleiters wesentlich verschlechtert, was ein großes Hindernis bei der Herstellung einer Anordnung ist. Es wurde bestätigt, daß dies durch die Struktur des Oxid-Supraleiters verursacht wird, die dazu neigt, Sauerstoff abzusondern, und eine chemische Reaktion zwischen den Atomen des Isolators und dem Sauerstoff des Supraleiters hervorzurufen.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die Grenzflächen-Eigenschaften zwischen einem Isolator und einem Oxid-Supraleiter zu verbessern, und ein Verfahren vorzuschlagen zum Herstellen eines tunnelbildenden Josephson-Elements durch Abscheiden eines Metalls, das mit dem Sauerstoff auf der Oberfläche des Oxid-Supraleiters nur schwer reagiert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine supraleitende Anordnung mit einem tunnelbildenden Josephson-Element vorgeschlagen, die aufweist: eine erste Supraleiter-Elektrode; eine isolierende dünne filmschicht; und eine zweite Supraleiter-Elektrode, die aus einem auf dem isolierenden Film gebildeten, metallischen Supraleiter besteht; dadurch gekennzeichnet, daß die erste Supraleiter-Elektrode aus einem Oxid-Supraleiter besteht; die supraleitende Anordnung weiterhin eine Sperrschicht aufweist, die aus einem gegenüber Sauerstoff im wesentlichem inerten Metall besteht, und auf einer Oberfläche der ersten Supraleiter-Elektrode gebildet wird, wobei die isolierende dünne Filmschicht auf der Sperrschicht gebildet wird; diese Sperrschicht eine Dicke von ungefähr 1-10 nm (10-100 Angström) hat; und dieser isolierende Film eine Dicke von ungefähr 1-10 nm (10-100 Angström) hat.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Anordnung vorgeschlagen, das die folgenden Schritte aufweist: Polieren der Oberfläche einer ersten Supraleiter-Elektrode, bis eine Spiegeloberfläche erhalten wird; Bilden eines isolierenden, dünnen Films auf der polierten Oberfläche der ersten Supraleiter-Elektrode, wobei dieser isolierende, dünne Film aus einem Oxid, einem Fluorid oder einem Halbleiter besteht; und Bilden einer zweiten Supraleiter-Elektrode, die aus einem metallischen Supraleiter besteht, und auf dem isolierenden, dünnen films angeordnet ist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die erste Supraleiter-Elektrode aus einem Oxid-Supraleiter besteht; bei dem Verfahren weiterhin ein gegenüber Sauerstoff im wesentlichen inertes Metall auf die polierte Oberfläche der ersten Supraleiter-Elektrode aufgebracht wird, um darauf eine Sperrschicht zu bilden, wobei der isolierende, dünne film auf dieser Sperrschicht gebildet wird; die Sperrschicht eine Dicke von ungefähr 1-10 nm (10- 100 Angström) hat; und der isolierende Film eine Dicke von ungefähr 1-10 nm (10-100 Angström) hat, um dadurch ein tunnelbildendes Josephson-Element zwischen der ersten Oxid-Supraleiter-Elektrode und der auf der entgegengesetzten Seite angeordneten, zweiten Supraleiter-Elektrode zu erhalten.
Vorzugsweise wird der isolierende Film aus der Gruppe ausgewählt, die aus Aluminiumoxid, Tantaloxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Magnesiumoxid, Molybdänoxid, Siliziumoxid, Kupferoxid, Silberoxid, Calciumfluorid, Aluminiumfluorid, Zirkonfluorid, Magnesiumfluorid, Silizium und Germanium besteht.
Nachstehend wird eine Ausführungsform der Erfindung als Beispiel beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, die Folgendes darstellen:
Die Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Josephson-Elements, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde.
Die Fig. 2 ist ein I-V-Kennliniendiagramm des Übergangs zwischen dem La-Sr-Cu-O-Oxid-Supraleiter und Al bei Raumtemperatur.
Die Fig. 3 ist ein I-V-Kennliniendiagramm des erhaltenen ohmschen Kontakts bei Raumtemperatur (T = 296 K).
Die fig. 4 ist ein Kennliniendiagramm, das die Temperaturabhängigkeit des Stroms des YBCO/Al-Übergangs wiedergibt.
Die Fig. 5 veranschaulicht einen Herstellungsschritt des tunnelbildenden YBCO/Au/AlOx/Nb-Josephson-Übergangs gemäß der Erfindung.
Die fig. 6 ist ein I-V-Kennliniendiagramm des tunnelbildenden YBCO/Au/AlOx/Nb-Übergangs bei 4,2 K gemäß der Erfindung.
Die Fig. 7 ist ein Kennliniendiagramm, das eine Durchschlagsspannungs-Stufe bei der I-V-Kennlinie des YBCO/Au/AlOx/Nb-Übergangs gemäß der Erfindung wiedergibt.
Ein Prinzip der Erfindung ist, ein tunnelbildendes Josephson-Element herzustellen durch Verhinderung einer Reaktion zwischen einem Isolatorfilm und einem supraleitenden Oxid, wozu eine Sperrschicht, die aus einem mit Sauerstoff schwer reagierenden Metall besteht, auf der Oberfläche des Oxid-Supraleiters abgeschieden wird, bevor der dünne Isolatorfilm gebildet wird, und dieses Prinzip kann bei jedem Oxid-Supraleiter, unabhängig von seiner Art, angewandt werden. Dies bedeutet, daß der Oxid-Supraleiter eine Struktur aufweist, die leicht Sauerstoff absondert, und dieser Oxid-Supraleiter wird mit einem Metall, das schwer mit Sauerstoff reagiert, beschichtet, um eine inaktive Sperrschicht zu bilden.
Als Oxid-Supraleiter kann jedes Supraleiter-Material verwendet werden, das nach einem Sinterverfahren, Siebdruckverfahren, Sputterverfahren, Molekularstrahlepitaxie-Verfahren, Verfahren zum chemischen Aufdampfen (einschließlich Verfahren zum chemischen Aufdampfen von metallorganischen Verbindungen), und dergleichen erhalten wurde. Ein Beispiel für diese Materialien ist
(A1-xBx)yCuzOw
wobei x = 0 1, y = 2 4 (vorzugsweise y =3), z = 1 4 (vorzugsweise z = 2 3), und w = 4 10 (vorzugsweise ungefähr 7) ist.
Anstatt 0 (Sauerstoff) können jedoch Halogene, wie F, Cl und dergleichen verwendet werden. Das Element A wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus Yttrium (Y), Gadolinium (Gd), Ytterbium (Yb), Europium (Eu), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Lutetium (Lu), Scandium (Sc) und anderen Elementen der Tabelle IIIa des periodischen Systems besteht. Das Element B wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus Radium (Ra), Barium (Ba), Strontium (Sr), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Beryllium (Be) der Tabelle IIa des periodischen Systems besteht. Als eine Ausführungsform wird speziell Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O&sub7;&submin;&sub8; verwendet. Weiterhin kann außer den obigen Elementen Lanthanid und Actinid als Element A verwendet werden.
Die Isolatoren werden aus der Gruppe ausgewählt, die aus Aluminiumoxid, Tantaloxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Magnesiumoxid, Molybdänoxid, Siliziumoxid, Kupferoxid und Silberoxid besteht. Außerdem kann ein Metalloxid oder ein Metallfluorid verwendet werden, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Calciumfluorid, Zirkonfluorid, Aluminiumfluorid und Magnesiumfluorid besteht, und ein Halbleiter verwendet werden, der unter Silizium (Si) und Germanium (Ge) ausgewählt ist. Diese Oxide können nach einem Verfahren gebildet werden, das aus dem Sputterverfahren, dem Aufdampfverfahren, dem Verfahren zum chemischen Aufdampfen, dem Molekularstrahlepitaxie-Verfahren und dergleichen ausgewählt ist, und außerdem gebildet werden durch Aufbringen eines Metallfilms nach dem obigen Verfahren, und anschließende Umwandlung dieses Metallfilms zu Oxid unter Verwendung eines Verfahrens wie zum Beispiel die thermische Oxidation, die Plasmaoxidation, die anodische Oxidation in einer Lösung und dergleichen. Fluorid kann auf die gleiche Weise als Fluorid aufgebracht werden, oder es kann ein Metallfilm aufgebracht werden, der anschließend mit Fluor oder einem Gas, das fluor enthält, wie CF&sub4; und dergleichen, zu einem Fluorid umgewandelt wird.
Als Sperrschicht können beständige Metalle verwendet werden, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Au, Pt, Ag, Cu und dergleichen besteht, und die vergleichsweise schwer Oxide bilden. Sowohl die Sperrschicht, als auch der isolierende Film werden mit einer Dicke von ungefähr 1-10 nm (10 - 100 Å) gebildet.
Ein Josephson-Übergang kann gebildet werden durch Aufbringen eines anderen Supraleiter-Materials auf die obere Seite des isolierenden films. In diesem Fall können als oberes Supraleiter-Material andere Metall- Supraleiter (Nb, Pb und Verbindungen und Legierungen davon) verwendet werden, die verschieden von dem obigen Oxid-Supraleiter sind.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen wiedergegeben.
In der Fig. 1 ist 1 ein Oxid-Supraleiter der V-Ba-Cu-O-Reihe, 2 eine Sperrschicht aus Gold (Au) und dergleichen, die auf die Oberfläche des Oxid-Supraleiters aufgebracht ist, 3 eine isolierende Schicht, wie Al&sub2;O&sub3;, die auf die Oberfläche dieser Sperrschicht aufgebracht ist, und 4 eine obere Elektrode, wie zum Beispiel Nb, die auf die Oberfläche dieser isolierenden, dünnen filmschicht aufgebracht ist.
Wie bei einer Ausführungsform mit dem in der Figur 1 wiedergegebenen, detaillierten Aufbau gezeigt, kann eine Grenzflächenreaktion zwischen dem Isolator und dem Supraleiter verhindert werden durch Aufbringen einer Sperrschicht aus Gold (Au) und dergleichen auf die Oberfläche des Oxid-Supraleiters, und ein Josephson-Übergang verwirklicht werden, ohne die supraleitende Eigenschaft auf der Seite des Supraleiters zu beeinträchtigen. Dies hat zur Folge, daß ein Supraleitungs-Strom zwischen beiden Supraleitungs-Elektroden beobachtet werden kann. Außerdem wird bei einer Strom-Spannungs-Kennlinie durch Mikrowellenbestrahlung eine Konstantspannungs-Stufe (Shappiro-Stufe) erzeugt, und ein Josephson-Effekt dieses Übergangs kann bestätigt werden.
Wenn bei der Bildung eines Josephson-Elements durch Verbindung eines Supraleiters 4 über einen dünnen, isolierenden Film 3 mit einem Oxid- Supraleiter der isolierende Film 3 unmittelbar auf den Oxid-Supraleiter 1 aufgebracht wird, wird die Supraleitungs-Eigenschaft der Supraleitungs- Elektrode wesentlich verschlechtert durch Reaktion des isolierenden Films 3 mit dem Elektrodenmaterial aus dem Oxid-Supraleiter 1, so daß kein Supraleitungsstrom beobachtet werden kann, und der Widerstand zwischen beiden Elektroden groß wird.
Wenn andererseits vor dem Aufbringen eines isolierenden films unter Verwendung eines schwer oxydierbaren Metalls, wie Gold und dergleichen eine Sperrschicht 2 auf der Oberfläche des Oxid-Supraleiters 1 gebildet wird, und danach auf diese Sperrschicht der isolierende Film 3 aufgebracht wird, ist es möglich, eine direkte Reaktion zwischen dem Oxid-Supraleiter 1 und dem isolierenden Film 3 zu verhindern, so daß ein tunnelbildendes Josephson-Element gebildet werden kann, ohne die Supraleitungs-Eigenschaft der supraleitenden Elektrode zu beeinträchtigen.
Gemäß der Erfindung wird auf der Oberfläche des Oxid-Supraleiters eine Sperrschicht gebildet, wozu ein beständiges Metall, wie zum Beispiel Au, Pt, Ag, Cu und dergleichen, das sich mit Sauerstoff schwer verbindet, aufgebracht wird, und danach werden eine oder mehrere isolierende Schichten aufgebracht aus Metalloxid, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Al&sub2;O&sub3;, TaO, TiO, ZrO, MgO, MoO, SiO&sub2;, CuO, AgO und dergleichen besteht, oder aus Halbleitern, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus CaF&sub2;, Zrf&sub2;, AlF&sub3;, MgF und den anderen Metallfluoriden besteht, wodurch eine direkte Reaktion zwischen dem Oxid-Supraleiter 1 und der isolierenden Filmschicht 3 verhindert wird, und folglich eine Verschlechterung der Supraleitungs-Eigenschaft des Oxid-Supraleiters vermieden wird, so daß es sehr vorteilhaft ist, in der Industrie ein tunnelbildendes Josephson- Element zu bauen.
Gemäß dem Verfahren der Erfindung ist es möglich, unter Verwendung eines Hochtemperatur-Oxid-Supraleiters verschiedene, aus Josephson- Elementen bestehende, supraleitende Anordnungen herzustellen. Ein Beispiel wird ausführlich beschrieben. Dies bedeutet, daß die vorliegende Erfindung äußerst nützlich ist für hochempfindliche magnetische Flußmesser, analoge Einrichtungen und Hilfsmittel, wie ein Höchstfrequenz-Detektor, eine supraleitende Hochgeschwindigkeits-Computerlogik-IC-Schaltung, und digitale Einrichtungen und Hilfsmittel, wie eine Speicher-IC-Schaltung.

(Beispiel)

(1) Zweck des Experiments:

Vor kurzem zogen Hochtemperatur-Supraleiter, wie zum Beispiel Y-Ba-Cu-O-Supraleiter, die Aufmerksamkeit auf sich, und es wurden zahlreiche Untersuchungen durchgeführt. Der Hochtemperatur-Supraleiter ist natürlich wichtig für Anwendungen bei hoher Temperatur, aber bei elektronischen Anwendungen, insbesondere Computern, ist die Eigenschaft wichtiger, daß die aufgrund der hohen kritischen Temperatur (Tc) erwartete Energielücke groß ist. Das heißt, eine Josephson-Schaltung wird durch Steuerung eines Magnetflusses betrieben, aber ihre Steuerkapazität ist proportional zu der Ausgangsspannung eines Treibers, und die Spannung ist durch eine Lückenspannung begrenzt. Wenn der Josephson-Übergang mit einem Material verwirklicht wird, das eine große Energielücke aufweist, kann daher die Begrenzung infolge einer solchen wesentlichen Verzögerungszeit stark gemildert werden.
Unter dem obigen Gesichtspunkt haben die Erfinder versucht, einen tunnel bildenden Josephson-Übergang unter Verwendung eines Oxid-Supraleiters zu verwirklichen. Im idealen fall wird ein tunnelbildender Josephson- Übergang in form eines laminierten, dünnen Films aus einem Oxid-Supraleiter am Ende verwirklicht, aber gegenwärtig gibt es noch keine Technik, um einen dünnen Film von guter Qualität aus einem Oxid-Supraleiter zu bilden, so daß ein durch Sintern gebildeter Oxid-Supraleiter für den einen Supraleiter verwirklicht wird, während Niob (Nb) für den anderen Supraleiter verwendet wird.

(2) Kennlinie des LSCO/Al-Übergangs:

Zunächst wurde ein Versuch mit einem Oxid-Supraleiter aus dem La-Sr-Cu-O-System gemacht (nachstehend als "LSCO"-System bezeichnet). Um gesintertes Material herzustellen, wurde ein Pulver aus La&sub2;(CO&sub3;)&sub3;, SrCO&sub3; und CuO in Äthanol gemischt, bei 1.000ºC während 10 Stunden zur Reaktion gebracht, zu Pellets gepreßt, und bei 1.000ºC während 6 Stunden gesintert. Bei einer Messung nach der ICP-Methode ergab sich die Zusammensetzung La 1,58, Sr 0,22, CuO4-x, der Beginn der kritischen absoluten Temperatur (Tc) lag bei 45 K, und der Widerstand sank bei 35 K auf Null ab. Die Oberfläche des gesinterten Materials wurde vor der Bildung eines Elements mit Wasser und einem SiO&sub2;-Pulver poliert, wobei infolge von Hohlräumen keine vollständige Spiegelfläche erhalten werden konnte.
Zur Bildung einer Tunnelbarriere wurde das Verfahren zum Herstellen eines Nb/Al-Tunnelübergangs in unveränderter Form angewandt, und zwar wurde auf dem LSCO ein Aluminiumfilm gebildet, und die Oberfläche auf natürliche Weise oxidiert, um ein Probe-Element zu erhalten. Das so erhaltene Element hatte jedoch einen bemerkenswert hohen Widerstand, und war von einem Josephson-Element weit entfernt.
Um die Ursache dieses hohen Widerstands herauszufinden, wurde die I- V-Kennlinie des Übergangs zwischen dem LSCO und dem Aluminiumfilm untersucht. Um den Übergang zu bilden, wurde Aluminium (Al) durch Widerstandsheizung auf dem LSCO abgeschieden. Die Größe des Übergangs war 600 um², wobei eine Metallmaske zur Begrenzung verwendet wurde. Um einen Kontakt von niedrigem Widerstand mit dem LSCO zu erhalten, wurde auf der Rückseite eines Pellets Gold abgeschieden.
In der Fig. 2 ist ein Beispiel für die I-V-Kennlinie des so erhaltenen LSCO/Al-Übergangs bei Raumtemperatur wiedergegeben. Wie ersichtlich ist, ist der Strom proportional zu der Quadratwurzel aus der Spannung. Als Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit bei einer solchen I-V-Kennlinie sind die Schottky-Emission und die frenkel-Poolemission 10 bekannt, und es wird die elektrische Leitfähigkeit eines dünnen Isolatorfilms wiedergegeben.
Der Strom (I) als Funktion der Spannung (V) wird ausgedrückt durch
I α exp (e [eV/4 π&epsi;d]))/kT (1)
I α exp (e [eV/π&epsi;d]))/kT (2)
wobei e die Elementarladung, &epsi; die Dielektrizitätskonstante, d die Filmdicke, k die Boltzmann-Konstante, und T die absolute Temperatur ist. Die Ergebnisse der Fig. 2 stimmen mehr mit (1) als mit (2) überein.
Die Fig. 2 ist ein Diagramm, das die I-V-Kennlinie des Übergangs des Oxid-Supraleiters der La-Sr-Cu-O-Reihe bei Raumtemperatur wiedergibt, wobei die Kurve "+(Al)" bei einer Aluminiumanode, und die Kurve "-(Al)" bei einer Aluminiumkathode erhalten wurde.
Die Kapazität des Übergangs wurde bei 10 kHz gemessen, wobei ein Wert von ungefähr 1-1 nF erhalten wurde, aber es wurde keine Abhängigkeit von der Gleichspannungs-Vorspannung beobachtet. Aus dieser Tatsache wurde geschlossen, daß keine Sperrschicht (Verarmungsschicht) vorhanden ist.
Aufgrund der obigen Ergebnisse muß angenommen werden, daß sich zwischen dem LSCO und dem Al eine ziemlich dicke isolierende Schicht gebildet hat. Aus dem Anstieg der Geraden und dem Kapazitätswert kann mittels der Formel (1) eine Dicke d der isolierenden Schicht und eine spezifische Dielektrizitätskonstante &epsi;r berechnet werden, wobei
d = 25 nm, und &epsi;r = 7,5 erhalten wurde.

(3) Kennlinie des YBCO/Al-Übergangs

Als Nächstes wurde ein Versuch mit gesintertem Material aus Y-Ba-Cu-O (nachstehend al s "YBCO" bezeichnet) durchgeführt. Um gesintertes YBCO-Material herzustellen, wurde Pulver aus Y&sub2;O&sub3;, BaCO&sub3; und CuO in Äthanol gemischt, das Gemisch bei 900ºC während 12 Stunden zur Reaktion gebracht, und bei 950ºC während 72 Stunden weiter gesintert. Das Zusammensetzungsverhältnis von V, Ba und Cu betrug 1:2:3. Bei der Widerstandsmessung sank der Widerstand dieser Probe bei einer absoluten Temperatur von 83 K auf Null ab. Vor der Bildung einer Oxid-Supraleiter-Anordnung wurde die Probenoberfläche mit Al&sub2;O&sub3; von 0,2 um Korndurchmesser poliert. Nach dem Polieren war die Probenoberfläche eine Spiegeloberfläche, die vergleichsweise geringere Verarmung aufwies.
Auf dem polierten YBCO wurde durch Widerstandsheizung Aluminium (Al) abgeschieden, und es wurde ein Kontaktübergang gebildet. Mit einer Metallmaske wurde die Übergangsfläche auf 800 um x 1.200 um begrenzt. Außerdem wurde auf der Rückseite der Probe mit Gold (Au) ein ohmscher Kontakt verwirklicht. Die Fig. 3 ist ein Diagramm, das die f-V-Kennlinie des erhaltenen Übergangs bei Raumtemperatur (T = 296 K) wiedergibt. Bei positiver Polung (+), und negativer Polung (-) des Aluminiums werden im wesentlichen symmetrische Kennlinien erhalten, und der Widerstand in der Umgebung des Nullpunkts betrug ungefähr 40 Ω. Außerdem wurde eine Krümmung in der I-V-Kennlinie beobachtet, und es wird angenommen, daß auf der YBCO/Al-Grenzfläche eine isolierende Schicht gebildet wird.
Als Nächstes wurde die Änderung der I-V-Kennlinie in Abhängigkeit von der Temperatur gemessen. Das Ergebnis ist in der Fig. 4 wiedergegeben. Die Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Temperaturabhängigkeit des Stroms des YBCO/Al-Übergangs zeigt. In der fig. 4 ist bei weniger als ungefähr 50 K keine Änderung des Stroms in Abhängigkeit von der Temperatur festzustellen, und es wird angenommen, daß in diesem Temperaturbereich aufgrund des Tunneleffekts ein Strom durch den isolierenden Film fließt. Der Wiederstand in der Umgebung des Nullpunkts betrug dabei ungefähr 200 Ω.

(4) Probeherstellung eines tunnelbildenden VBCO/Au/AlOx/Nb-Josephson Elements:

Wie oben festgestellt, bekommt der YBCO-Kontakt einen hohen Widerstand infolge der Bildung der isolierenden Schicht auf der Grenzfläche zwischen YBCO und Al. Daher kann die bisherige Technik zur Herstellung eines Nb/Al/AlOx-Übergangs nicht in unveränderter Form angewandt werden. Folglich berücksichtigten die Erfinder, daß der YBCO/Au-Kontakt ein ohmscher Kontakt ist, und stellten ein tunnelbildendes Josephson-Element mit einer YBCO/Au/AlOx/Nb-Struktur her, bei dem sie vor dem Aufbringen des Al eine dünne Goldschicht auf das YBCO aufbrachten, um eine Reaktion des Al mit dem YBCO zu verhindern.
In der fig. 5 ist ein Herstellungsprozeß wiedergegeben. Zunächst wird Au (2) auf beide polierten Oberflächen eines gesinterten YBCO-Materials (1) aufgebracht. Das Au auf der Rückseite wird als ohmsche Elektrode verwendet. Die Dicke des aufgebrachten Au-films beträgt 7 nm.
Als Nächstes werden in einer weiteren Vakuumkammer Al (3) und Nb (4) nach einer Elektronenstrahl-Abscheidemethode aufgebracht. Die Filmdicke beträgt 6 nm bzw. 100 nm. Bevor das Nb aufgebracht wird, wird die Oberfläche des Al in reinem Sauerstoff von 399.96 Pa (3 torr) Druck während 30 Minuten oxidiert, wobei ein Oxidfilm (Al&sub2;O&sub3;) erhalten wird. Schließlich wird mit Photolack 5 der Übergangsbereich abgedeckt und das übrige Nb (4) durch reaktives Ionenätzen entfernt, wozu CF4-Gas mit 5% Sauerstoff (O&sub2;) verwendet wird. Die fläche des Übergangs beträgt 800 um x 800 um.
Die Fig. 6 ist ein Diagramm, das die nach einer Vierpunkt-Methode gemessene Strom-Spannungs-Kennlinie wiedergibt, wobei der gebildete Übergang mit Indium (In) gebondet wurde. Die Fig. 6 zeigt die I-V-Kennlinie des tunnelbildenden Übergangs von YBCO/Au/AlOx/Nb bei einer absoluten Temperatur von 4,2 K, wobei die Übergangsfläche 800 x 800 um² beträgt. Die fig. 6(a) ist eine Kennlinien-Aufnahme, bei einer kritischen Stromdichte von J = 7 x i0-3 A/cm2, wobei der Maßstab der Ordinate 100 uA/Skalenteil, und der Maßstab der Abszisse 100 uV/Skalenteil beträgt. Die Meßtemperatur ist 4,2 K. Der Supraleitungsstrom von 50 uA wird in der Umgebung des Nullpunkts beobachtet. Wenn angenommen wird, daß ein gleichmäßiger Strom durch den gesamten Übergang fließt, beträgt die Dichte des Supraleitungsstroms ungefähr 0,007 A/cm². Außerdem wird eine für den tunnelbildenden Übergang charakteristische Hysterese beobachtet. Diese Hysterese wird bei dem Punktkontakt-Übergang des früheren Oxid-Supraleiters nicht beobachtet.
Der Leckstrom bei einer geringeren Spannung als der Lückenspannung ist jedoch sehr groß, die I-V-Kennlinie zeigt unterhalb eine leicht vorspringende Krümmung, und eine eindeutige Lückenstruktur kann nicht beobachtet werden. Es wird angenommen, daß die polierte YBCO-Oberfläche keine genügende Ebenheit aufweist, und keine gleichmäßige Barrierenschicht gebildet wird. Daher kann die Möglichkeit, daß viele zu dem tunnelbildenden Übergang parallele Punktübergänge vorhanden sind, nicht bestritten werden.
In der Fig. 7 ist ein Diagramm mit einer I-V-Kennlinie wiedergegeben, die erhalten wird, wenn das Element mit Mikrowellen bestrahlt wird. Die fig. 7 zeigt eine Hochfrequenz-Durchschlagsspannungs-Stufe in der I-V- Kennlinie des tunnelbildenden YBCO/Au/AlOx/Nb-Übergangs. Der Maßstab ist bei der Ordinate 20 uA/Skalenteil, und bei der Abszisse 20 uV/Skalenteil. Die Frequenz der verwendeten Mikrowellen beträgt 8,3 GHz. Die Shappiro-Stufe wurde bei der I-V-Kennlinie beobachtet. Der Zusammenhang zwischen der konstanten Spannung Vstufe und der frequenz f der verwendeten Mikrowellen wird durch die folgende Gleichung (3) wiedergegeben:
Vstufe = n (h/2e)f (3)
wobei n eine ganze Zahl, h die Plancksche Konstante, und e die Elementarladung ist. Dies bestätigt, daß dieser Übergang durch den Tunneldurchgang freier Elektronen zu einem Josephson-Übergang wird.

(5) Schlußfolgerung

Aufgrund der Annahme, daß eine große Energielücke des Oxid-Supraleiters mit hoher kritischer Temperatur wichtig ist, um die Steuerkapazität der Josephson-Schaltung zu verbessern, versuchten die Erfinder, einen tunnelbildenden Josephson-Übergang auf der Oberfläche eines Oxid- Supraleiters aus einem gesinterten Material zu bilden. Mit dem Ziel, eine Möglichkeit zu finden, um die untere Elektrode des hochwertigen Nb/Al/AlOx/Nb-Übergangs, bei dem Nb für den Oxid-Supraleiter verwendet wird, zu ersetzen, wurde bisher in erster Linie der LSCO/Al- und der YBCO/Al-Kontakt untersucht, wobei gefunden wurde, daß an der Grenzfläche zwischen LSCO und Al eine ziemlich dicke, isolierende Schicht gebildet wird. Aufgrund der gemessenen I-V-Kennlinie und C-V-Kennlinie wird angenommen, daß die Dicke der isolierenden Schicht d = 25 nm, und die spezifische Dielektrizitätskonstante &epsi;r = 7,5 ist. Außerdem wurde ein experimentelles Ergebnis erhalten, das auf die Bildung einer isolierenden Schicht auf der YBCO/Al-Grenzfläche hinweist. Um die Bildung der obigen isolierenden Schicht auf der Grenzfläche zwischen dem Oxid-Supraleiter und dem Al zu verhindern, wurde zur Erprobung ein tunnelbildendes Josephson-Element mit einer YBCO/Au/AlOx/Nb-Struktur hergestellt, wobei ein Verfahren angewandt wurde, bei dem die Oberfläche des Oxid-Supraleiters mit einem dünnen Goldfilm (Au) beschichtet wurde, und bei diesem Josephson-Element wurde dann bei der I-V-Kennlinie der Supraleitungsstrom und die Hysterese beobachtet. Der Josephson-Übergang infolge Tunneldurchgangs von freien Elektronen wurde auch durch Beobachtung der Konstantspannungs-Stufe während der Bestrahlung mit Mikrowellen beobachtet. Bei dem so erhaltenen Übergang ist jedoch ein großer Leckstrom vorhanden. Dies ist auf eine ungenügende Ebenheit der Oberfläche des gesinterten Materials zurückzuführen, und die Möglichkeit, daß von den tunnelbildenden Übergängen verschiedene, punktförmige Übergänge vorhanden sind, kann nicht bestritten werden.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen beschrieben wurde, gilt als vereinbart, daß diese Ausführungsformen nur als Beispiele dienen sollen, und daß zahlreiche Änderungen bei Konstruktionsdetails und der Kombination und Anordnung von Teilen vorgenommen werden können, ohne den Geltungsbereich der Erfindung zu verlassen, wie er nachstehend beansprucht wird.

Claims

1. Supraleitende Anordnung mit einem tunnelbildenden Josephson-Element, wobei diese supraleitende Anordnung aufweist:

eine erste Supraleiter-Elektrode (1); eine isolierende, dünne Filmschicht (3); und eine zweite Supraleiter-Elektrode (4), die aus einem auf dem isolierenden Film gebildeten, metallischen Supraleiter besteht;

dadurch gekennzeichnet, daß

- die erste Supraleiter-Elektrode (1) aus einem Oxid-Supraleiter besteht;

- die supraleitende Anordnung weiterhin eine Sperrschicht (2) aufweist, die aus gegenüber Sauerstoff im wesentlichen inertem Metall besteht und auf einer Oberfläche der ersten Supraleiter-Elektrode (1) gebildet wird, wobei die isolierende, dünne Filmschicht (3) auf der Sperrschicht (2) gebildet wird;

- diese Sperrschicht eine Dicke von ungefähr 1-10 nm (10-100 Angström) hat;

- und dieser isolierende Film eine Dicke von ungefähr 1-10 nm (10-100 Angström) hat.

2. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Anordnung, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Polieren einer Oberfläche einer ersten Supraleiter-Elektrode (1), bis eine Spiegeloberfläche erhalten wird;

- Bilden eines isolierenden,dünnen Films (3) auf dieser polierten Oberfläche der ersten Supraleiter-Elektrode (1), wobei dieser isolierende, dünne film aus einem Oxid, einem Fluorid oder einem Halbleiter besteht;

- und Bilden einer zweiten Supraleiter-Elektrode (4), die aus einem metallischen Supraleiter besteht, und auf der entgegengesetzten Seite der erste Elektrode auf dem isolierenden, dünnen Film (3) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, daß:

- die erste Supraleiter-Elektrode aus einem Oxid-Supraleiter besteht;

- bei dem Verfahren weiterhin ein gegenüber Sauerstoff im wesentlichen inertes Metall auf die polierte Oberfläche der ersten Supraleiter-Elektrode aufgebracht wird, um darauf eine Sperrschicht (2) zu bilden, wobei der isolierende, dünne Film (3) auf dieser Sperrschicht gebildet wird;

- die Sperrschicht (2) eine Dicke von ungefähr 1-10 nm (10-100 Angström) hat; und der isolierende Film (3) eine Dicke von ungefähr 1-10 nm (10-100 Angström) hat, um dadurch ein tunnelbildendes Josephson-Element zwischen der ersten Oxid-Supraleiter-Elektrode und der auf der entgegengesetzten Seite angeordneten, zweiten Supraleiter-Elektrode zu erhalten.

3. Verfahren zum Herstellen einer supraleitenden Anordnung, gemäß Anspruch 2, wobei der isolierende, dünne Film (3) aus einem Material gebildet wird, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumoxid, Tantaloxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Magnesiumoxid, Molybdänoxid, Siliziumoxid, Kupferoxid, Silberoxid, Calciumfluorid, Aluminiumfluorid, Zirkonfluorid, Magnesiumfluorid, Silizium und Germanium besteht.