DE3924022C2

DE3924022C2 - Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes mit metalloxidischem Supraleitermaterial

Info

Publication number: DE3924022C2
Application number: DE3924022A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Hofer; Bernhard Dr Roas; Ludwig Prof Dr Schultz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-07-20
Filing date: 1989-07-20
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2009-07-21
Also published as: DE3924022A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf verschiedene Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder 3.

Ein entsprechendes Verfahren ist z. B. aus der Veröffentlichung "Supercurrents", Vol. 7, November 1988, Seiten 31 bis 33 bekannt.

Supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtempera turen T_c von insbesondere über 78 K, die deshalb mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können, sind allgemein bekannt. Entsprechende Metalloxidverbindungen basieren beispielsweise auf einem Stoffsystem des Typs Me1-Me2-Cu-O, wobei die Komponenten Me 1 ein Seltenes Erdmetall und Me2 ein Erdalkalimetall zumin dest enthalten. Hauptvertreter dieser Gruppe ist das vierkompo nentige Stoffsystem Y-Ba-Cu-O. Daneben weisen auch Phasen von fünfkomponentigen Cupraten wie z. B. des Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-O oder Tl-Ba-Ca-Cu-O Sprungtemperaturen über 78 K auf.

Filme bzw. dünne Schichten aus diesen Metalloxidverbindungen werden vielfach mit speziellen Bedampfungs- oder Sputter prozessen hergestellt. Hierbei wird im allgemeinen auf einem geeigneten Substrat zunächst ein polykristallines oder amorphes Vorprodukt mit den Komponenten des gewählten Stoffsystems abge schieden, 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 über führt.

Die so zu erhaltenden supraleitenden Metalloxidphasen haben z. B. im Falle von YBa₂Cu₃O_7-x mit O<x<0,5 eine orthorhom bische Struktur, die der eines Perowskites ähnelt (vgl. z. B. "Europhysics Letters", Vol. 3, No. 12, 15. 6. 1987, Seiten 1301 bis 1307). Die Sprungtemperatur T_c der supraleitenden Phase liegt dabei bei etwa 90 K. Da die solche supraleitenden Phasen aufweisenden Materialien den Oxidkeramiken zuzurechnen sind, werden die entsprechenden Hoch-T_c-Supraleiter vielfach auch als oxidkeramische Supraleiter bezeichnet.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes unter Verwendung eines solchen metalloxidischen Supraleiter materials geht aus der eingangs genannten Veröffentlichung "Supercurrents" hervor. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird auf einem MgO-Substrat mit geordneter Kristallstruktur und an die abzuscheidende supraleitende Phase angepaßten Kristallab messungen eine Y-Ba-Cu-O-Basiselektrode durch RF-Magnetron sputtern abgeschieden. Hierbei wird das Substrat auf erhöhter Temperatur gehalten. Zur Einstellung der Sauerstoffstöchio metrie der supraleitenden Phase ist außerdem auch ein erhöhter Sauerstoffpartialdruck erforderlich. Um eine Tunnelbarrieren schicht auszubilden, wird dann die Oberfläche dieser Basis elektrode einer Fluorinierung mittels eines CF₄-Gasplasmas unterzogen. Schließlich wird quer zur Schicht der Basiselek trode eine zweite als Gegenelektrode dienende Schicht entspre chend dem Verfahrensschritt zur Ausbildung der Basiselektroden schicht aufgebracht. Mit der Tunnelbarrierenschicht wird somit in bekannter Weise eine sogenannte "Weak-link"-Konfiguration erzeugt, d.h. ein Bereich schwacher Kopplung zwischen den Elek trodenschichten (vgl. z. B. "Proceedings IEEE", Vol. 61, No. 1, Januar 1973, Seiten 36 bis 45). Bei dem bekannten Verfahren wird auf eine Nachglühung der supraleitenden Schichten ver zichtet. Es zeigt sich jedoch, daß bei einem derartig herge stellten Josephson-Tunnelelement bei 77 K noch unklar ist, ob die Gegenelektrode supraleitend oder normalleitend ist. Als Ursache hierfür können u. a. die nur schwer kontrollierbaren Verfahrensbedingungen bei der Ausbildung der Tunnelbarrieren schicht angesehen werden. Insbesondere erfolgt eine Unter brechung der Epitaxie durch die fluorierte Schicht. Die Gegen elektrode kann so nicht mehr epitaktisch aufwachsen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, daß mit ihm Tunnelbarrierenschichten auf verhältnismäßig einfache Weise kontrollier- und reproduzierbar zu erzeugen sind. Dabei sollen in der zumindest für die Basiselektrode vorgesehenen supralei tenden Schicht kritische Stromdichten von mindestens 10⁴ A/cm² in der Schichtebene zu erreichen sein, ohne daß ein Hochtempe raturprozeß zur Ausbildung der supraleitenden Phase erforder lich wäre.

Ausgehend von einem Verfahren mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Merkmalen wird erfindungsgemäß eine erste Lösung der vorstehend angegebenen Aufgabe in den in Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen gesehen.

Die mit dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß durch eine sehr einfach durchzuführende Änderung mindestens eines Verfahrensparameters von einer Abscheidung der Basis elektrodenschicht in eine Ausbildung der Tunnelbarrieren schicht übergegangen werden kann. Dieser Übergang kann insbe sondere kontinuierlich, d.h. ohne Unterbrechung des Abschei dungsprozesses erfolgen.

Mit der nicht-vorveröffentlichten, nach § 3 (2) PatG zu berücksichtigenden EP-A-0 342 039 wird ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes vorgeschlagen, das sandwichartig auf einer Flachseite eines Substrats mit zwei als Basiselektrode bzw. Gegenelektrode dienenden Schichten in getrennten Schichtebenen sowie mit einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten, als Tunnelbarriere wirkenden nicht-supraleitenden Schicht aufgebaut wird. Das verwendete Substrat hat dabei eine an die Kristallstrukturabmessungen der auf ihm auszubildenden supraleitenden Phase angepaßte Textur. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Basiselektrodenschicht aus einem metalloxidischen Supraleitermaterial mit hoher kritischer Stromdichte bei hoher Sprungtemperatur und geordneter Kristallstruktur seiner supraleitenden Phase abgeschieden. Anschließend wird zur Abscheidung der Tunnelbarrierenschicht der Sauerstoffpartialdruck gegenüber dem vorhergegangenen Verfahrensschritt zur Abscheidung der Basiselektrodenschicht so weit erniedrigt, daß eine nicht-supraleitende Phase als Tunnelbarrierenschicht erhalten wird. Bei diesem vorgeschlagenen Verfahren wird jedoch die Temperatur bei der Ausbildung der Basiselektrodenschicht und der Tunnelbarrierenschicht auf einem gleichbleibenden Niveau gehalten. Demgegenüber ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Absenkung der Temperatur vorgesehen.

Zwar ist der ebenfalls nicht-vorveröffentlichten, nach § 3 (2) PatG zu berücksichtigenden EP-A-0 366 949 ein Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes zu entnehmen, bei dem für die Abscheidung einer Basiselektrodenschicht eine höhere Temperatur als für die Abscheidung einer Tunnelbarrierenschicht vorgesehen wird. Als Material für die Tunnelbarrierenschicht werden höchstens einige der Komponenten des metalloxidischen Supraleitermaterials der Basiselektrodenschicht verwendet. Dies macht besondere diffusionshemmende Zwischenschichten, sogenannte Buffer-layers, zwischen Basiselektrodenschicht und Tunnelbarrierenschicht erforderlich. Demgegenüber kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf derartige Zwischenschichten verzichtet werden, da die Basiselektrodenschicht und die Tunnelbarrierenschicht dieselben Materialkomponenten aufweisen.

Eine weitere Lösung der genannten Aufgabe besteht erfindungs gemäß in den in Anspruch 3 angegebenen Maßnahmen. Diese Maßnahmen unterscheiden sich von denen gemäß der ersten Lösung der genannten Aufgabe im wesentlichen darin, daß nicht durch eine Änderung des Verfahrensparameters Temperatur, sondern durch Änderung der Zusammensetzung des Materials der Basiselektrodenschicht eine nicht-supraleitende Zusammensetzung des Materials für die Tunnelbarrierenschicht erhalten wird. Dies hat zur Folge, daß die Anzahl der Komponenten des Materials der Tunnelbarrierenschicht mindestens so groß ist wie die des Materials der Basiselektrodenschicht. Demgegenüber sind bei dem aus der nicht-vorveröffentlichten EP-A-0 366 949 zu entnehmenden Verfahren für die Tunnelbarrierenschicht Oxide vorgesehen, die weniger Komponenten enthalten. Dies macht eine diffusionshemmende Zwischenschicht erforderlich, auf die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft verzichtet wird.

Gleiche Verfahrensbedingungen zur Abscheidung einer Basiselektrodenschicht und einer Tunnelbarrierenschicht bei der Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes sind der ebenfalls nicht-vorveröffentlichten, nach § 3 (2) PatG zu berücksichtigenden EP-A-0 390 704 zu entnehmen. Bei diesem Verfahren werden für die Tunnelbarrierenschicht dieselben metallischen Komponenten wie für die Basiselektrodenschicht vorgesehen, jedoch die Stöchiometrie, d. h. die Anteile der einzelnen Komponenten, geändert. Demgegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens eine der metallischen Komponenten zumindest partiell durch ein anderes Metall substituiert. Dies ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren gerade nicht der Fall.

Auf der gemäß der weiteren Lösung hergestellten Tunnelbarrierenschicht kann dann vorteilhaft eine supraleitende Gegen elektrodenschicht mit hoher kritischer Stromdichte abgeschieden werden.

Die nach den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Josephson-Tunnelelemente zeichnen sich insbesondere durch hohe kritische Stromdichten insbesondere ihrer Gegenelektrodenschich ten und durch Rauscharmut aus.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren gehen aus den jeweils abhängigen Ansprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur ein nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren hergestelltes Josephson-Tunnelelement in Schrägansicht schematisch veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt schematisch einen vergrößerten Querschnitt durch dieses Tunnel element. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit den selben Bezugszeichen versehen.

Als Ausführungsbeispiel sei nachfolgend die erfindungsgemäße Herstellung mindestens eines Josephson-Tunnelelementes unter Verwendung von supraleitendem Material der bekannten Zusammen setzung YBa₂Cu₃O_7-x mit orthorhombischer Struktur seiner supra leitenden Phase auf einem besonderen, an sich bekannten Sub strat zugrundegelegt. Hierzu ist ein sandwichartiger Aufbau vorgesehen, der in den Figuren angedeutet ist (vgl. auch die eingangs genannte Veröffentlichung "Supercurrents", jedoch Seiten 20 und 25 bis 29).

Für das Substrat 2, auf dem das allgemein mit 3 bezeichnete Josephson-Tunnelelement auszubilden ist, wird vorteilhaft ein Material gewählt, das eine Struktur mit Abmessungen seiner Ein heitszellen hat, die zumindest in etwa das Ein- oder Mehrfache der entsprechenden Abmessungen der Achsen der auf ihnen auszu bildenden Strukturen des supraleitenden Hoch-T_c-Materials aus machen. Aus diesem Grunde ist im Falle von YBa₂Cu₃O_7-x ein ein kristallines oder zumindest entsprechend texturiertes MgO-Sub strat besonders vorteilhaft. Daneben sind ebensogut auch andere Substrate wie z. B. aus SrTiO₃, (Ba, Sr)TiO₃, Y-stabilisiertem ZrO₂, aus Ta₂O₅, LaAlO₃ oder aus LaGaO₃ geeignet.

Zur Herstellung der einzelnen Schichten des Josephson-Tunnel elementes 3 auf diesem Substrat 2 kann eine spezielle Loch masken-Technik angewandt werden, die auch als Schwebemasken- Technik bezeichnet wird. Eine derartige Technik ist allgemein bekannt (vgl. z. B. DE-PS 31 28 982 oder die Veröffentlichung "SQUID′ 80-Superconducting Quantum Interference Devices and their Applications", Berlin 1980, Seiten 399 bis 415). Selbst verständlich sind auch andere von der Herstellung von supralei tenden Josephson-Tunnelelementen bekannte Maskentechnik ein setzbar.

Mit einer solchen Maskentechnik wird zunächst die als Basis elektrode dienende Schicht 4 des Elementes 3 aus dem supralei tenden Hoch-T_c-Material abgeschieden. Hierzu kommen bekannte Verfahren zum Einsatz, mit denen dünne epitaktische Schichten hoher Stromdichte mit Stromdichtewerten von mindestens 10⁴ A/cm² bei 78 K zu erhalten sind. Ein entsprechendes Abscheideverfah ren ist z. B. das Laser-Verdampfen (vgl. z. B. "Appl.Phys.Lett.", Vol. 53, No. 16, Okt. 1988, Seiten 1557 bis 1559). Epitaktische Schichten mit entsprechend hoher Stromdichte lassen sich unter anderem auch durch Magnetron-Sputtern (vgl. z. B. "Jap.J.Appl. Phys., Lett.", Vol. 27, No. 4, April 1988, Seiten L622 bis L624) oder Hohlkathodensputtern (vgl. z. B. "Appl.Phys.Lett.", Vol. 52, No. 13, März 1988, Seiten 1098 bis 1100), mit reaktivem Aufdampfen (vgl. z. B. "Jap.J.Appl.Phys., Lett.", Vol. 27, No. 1, Jan. 1988, Seiten L91 bis L93) oder mittels einer soge nannten Molekular-Strahl-Epitaxie (vgl. z. B. "Appl.Phys. Lett.", Vol. 51, No. 2, Okt. 1988, Seiten 1191 bis 1193) her stellen. Neben diesen physikalischen Verfahren sind gegebenen falls auch chemische Abscheideverfahren wie z. B. ein CVD-Prozeß (vgl. z. B. "Jap.J.Appl.Phys., Lett.", Vol. 27, No. 8, Aug. 1988, Seiten L1495 bis L1497) einsetzbar. Zur Ausbildung der supraleitenden Phase muß dabei stets das Substrat 2 auf er höhter Temperatur, beispielsweise zwischen 400°C und 850°C, insbesondere zwischen 600°C und 800°C gehalten werden. Außerdem ist eine Sauerstoffatmosphäre erforderlich, um die Sauerstoff stöchiometrie der supraleitenden Phase einzustellen. Im allge meinen werden O₂-Partialdrücke zwischen 0,01 mbar und 10 mbar, vorzugsweise zwischen 0,2 mbar und 0,6 mbar vorgesehen.

Auf der so hergestellten supraleitenden Basiselektrodenschicht 4, deren Dicke d1 im allgemeinen zwischen 10 nm und 2 µm, ins besondere zwischen 100 nm und 1 µm liegt, wird nun erfindungs gemäß eine nicht-supraleitende, insbesondere isolierende Schicht 5 abgeschieden, die in dem fertiggestellten Tunnel element 3 als Tunnelbarriere wirkt. Es muß deshalb eine sehr geringe Dicke d2 dieser Schicht vorgesehen werden, die im all gemeinen unter 5 nm liegt. Die Tunnelbarrierenschicht 5 soll aus oder mit zumindest einigen der Komponenten des Stoffsystems des Supraleitermaterials der Basiselektrodenschicht 4 herge stellt werden, d. h. im konkreten Ausführungsbeispiel insbeson dere mit Y, Ba, Cu und O. Hierzu sind vorteilhaft drei Verfah renswege möglich, die nachfolgend im einzelnen aufgeführt sind:

1) Man ändert die zur Abscheidung der supraleitenden Basis elektrodenschicht 4 vorgesehenen Verfahrensparameter nur dahingehend, daß man die Temperatur soweit erniedrigt, daß eine isolierende Phase des Stoffsystems aus den Komponenten des Supraleitermaterials erhalten wird. Sieht man z. B. ein Laser-Verdampfen oder Magnetron-Sputtern zur Abscheidung der Basiselektrodenschicht 4 aus YBa₂Ca₃O_7-x auf einem etwa 550°C bis 800°C heißen MgO-Substrat 2 vor, so wird nun zur Abscheidung der Tunnelbarrierenschicht 5 bei sonst gleichen Verfahrensbedingungen die Temperatur um mindestens 100°C zurückgenommen. Dementsprechend wird z. B. bei einer Sub strattemperatur von etwa 400°C eine röntgenamorphe isolie rende Schicht des Stoffsystems Y-Ba-Cu-O erzeugt. Die auf diese Weise zu erstellende Tunnelbarrierenschicht 5 kann dabei eine für derartige Barrieren typische Schichtdicke d2 von z. B. 2 nm aufweisen. Entsprechende Schichten sind z. B. durch eine Anwendung von wenigen Laserpulsen, beispielsweise von 3 bis 5 Pulsen, auszubilden.
2) Eine zusätzliche Möglichkeit zur Abscheidung der Tunnelbarrieren schicht 5 besteht darin, daß man in Ergänzung des Verfah rensweges 1) nicht nur die Temperatur, sondern auch den Sauerstoff partialdruck soweit absenkt, daß eine nicht-supraleitende Phase des Stoffsystems des Supraleitermaterials entsteht. Der Sauerstoffdruck sollte dabei vorteilhaft unter 0,05 mbar, vorzugsweise unter 0,1 mbar liegen. D. h., für das Material der Tunnelbarrierenschicht wird eine Phase des Stoffsystems vorgesehen, die gegenüber der supraleitenden Phase eine stabile Sauerstoff-Defektstruktur aufweist und deshalb nicht-supraleitend ist. Im Fall des gewählten Aus führungsbeispiels wäre dies eine nicht-supraleitende, te tragonale Phase des Stoffsystems Y-Ba-Cu-O, die unter gleichzeitiger Absenkung der Substrattemperatur entsteht. Aufgrund des während der Abscheidung zu geringen Sauerstoff druckes bilden sich Leerstellen, die auch bei einer späteren Glühung bei höherem Sauerstoffdruck nicht besetzt werden können, solange dabei die zunächst gewählte Substrattempe ratur nicht deutlich überschritten wird.
Dieser Verfahrensweg hat insbesondere auch den Vorteil, daß die epitaktische Ordnung oder zumindest ausgeprägte Textu rierung der Basiselektrodenschicht 4 auch in der Tunnel barrierenschicht 5 zumindest weitgehend erhalten bleiben kann. Dies hat zur Folge, daß eine auf der Tunnelbarrieren schicht anschließend abzuscheidende Gegenelektrodenschicht auf einem entsprechend geordneten Untergrund wie die Basis elektrodenschicht epitaktisch aufwachsen kann und somit vor teilhaft eine sehr hohe kritische Stromdichte aufweist.
3) Darüber hinaus ist es auch möglich, daß man mindestens eine der metallischen Komponenten des als Material für die Basis elektrodenschicht 4 vorgesehenen Stoffsystems zumindest partiell durch ein anderes Metall substituiert. Dabei können die Abscheidungsbedingungen gegenüber denen zur Herstellung der supraleitenden Basiselektrodenschicht 4 im wesentlichen unverändert bleiben. Selbstverständlich lassen sich aber auch die Maßnahmen gemäß den Verfahrenswegen 1) und 2) gleichzeitig zur Anwendung bringen. Dementsprechend kann man z. B. im Fall des gewählten Ausführungsbeispieles die Cu- Komponente durch ein Element ähnlicher Atomgröße wie z. B. durch Fe ganz oder teilweise ersetzen, so daß dann für die Tunnelbarrierenschicht 5 eine Phase des Stoffsystems Y-Ba- (Cu,Fe)-O oder Y-Ba-Fe-O als Material vorgesehen ist. Durch das Substituieren von Elementen mit angepaßten atomaren Ab messungen in dem zunächst supraleitenden Metalloxid wird nämlich die Supraleitung des Oxides aufgehoben und wird die ses so zu einem Isolator gemacht. Auch bei diesem Verfah rensweg kann vorteilhaft erreicht werden, daß sich eine epi taktische oder zumindest stark texturierte Ordnung der Ba siselektrodenschicht 4 auch im Aufbau der Tunnelbarrieren schicht 5 fortsetzt. Es kann so eine Gegenelektrodenschicht 6 auf einem entsprechend geordneten Untergrund aufwachsen.

Nachdem gemäß einem der vorstehenden Verfahrenswege die Tunnel barrierenschicht 5 ausgebildet ist, wird nun mittels einer als Gegenelektrode dienenden Schicht 6 der Aufbau des Tunnelelemen tes 3 komplettiert. Für die Gegenelektrodenschicht 6 kann ins besondere das supraleitende Material der Basiselektrodenschicht 4 vorgesehen werden, so daß sich dann ein Element vom Typ SIS (Supraleiter-Isolator-Supraleiter) ergibt. Die Gegenelektroden schicht 6 kann vorzugsweise entsprechend der Basiselektroden schicht 4 mit einer Dicke d3 abgeschieden werden, die im all gemeinen in der Größe der Dicke d1 der Basiselektrodenschicht liegt. Hatte man zur Herstellung der Tunnelbarrierenschicht 5 einen der Verfahrenswege 2) oder 3) vorgesehen, so läßt sich vorteilhaft auch die Gegenelektrodenschicht 6 mit einer der Ordnung der Tunnelbarrierenschicht entsprechenden Textur aus bilden.

In Fig. 1 sind ferner zur Ermittlung der Strom/Spannungscha rakteristik des erfindungsgemäß hergestellten Josephson-Tun nelelementes 3 ein mit dessen Elektrodenschichten 4, 6 ver bundener Strom/Spannungsgenerator 8 mit Anpaßwiderstand 9 und Einrichtung 10 zur Messung des Tunnelstromes I bzw. eine Ein richtung 11 zur Messung der Josephson-Spannung U angedeutet.

Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Josephson-Tunnel element vom Typ SIS erstellt werden soll. Die erfindungsge mäßen Maßnahmen gemäß den Verfahrenswegen 1) bis 3) sind je doch ebensogut auch zum Aufbau von Josephson-Tunnelelementen geeignet, die dem Typ SIN (Supraleiter-Isolator-Normalleiter) zuzuordnen sind. Bei einem solchen Aufbau ist lediglich die Gegenelektrodenschicht 6 aus einem normalleitenden Material wie z. B. aus Cu, Ag oder Au hergestellt.

Auch muß die Tunnelbarrierenschicht 5 nicht unbedingt aus einem isolierenden Material bestehen. Bekanntlich können Josephson- Tunnelelemente auch halbleitende oder normalleitende Tunnel barrierenschichten aufweisen. Da die Stoffsysteme bekannter Hoch-T_c-Supraleitermaterialien vielfach auch halbleitende oder metallisch leitende Phasen haben, sind mit den erfindungsge mäßen Maßnahmen ohne weiteres auch derartige Tunnelelemente auf einfache Weise herzustellen.

Für das Ausführungsbeispiel wurde als supraleitendes Hoch- T_c-Material eine entsprechende Phase des Stoffsystems Y-Ba-Cu-O ausgewählt. Selbstverständlich lassen sich die erfindungsge mäßen Verfahren in entsprechender Weise auch für andere supra leitende Hoch-T_c-Materialien wie z.B. des Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-O oder Tl-Ba-Ca-Cu-O anwenden.

Die erfindungsgemäßen Verfahren sind selbstverständlich nicht nur zur Herstellung einzelner Josephson-Tunnelelemente, sondern ebensogut auch zur Herstellung ganzer Schaltungen mit diesen Elementen, wie z. B. von SQUIDs, geeignet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes, das sandwichartig auf einer Flachseite eines Substrates mit zwei als Basiselektrode bzw. Gegenelektrode dienenden Schichten in getrennten Schichtebenen sowie mit einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten, als Tunnelbarriere wirkenden nicht-supraleitenden Schicht aufgebaut wird, bei welchem Verfahren

- ein Substrat vorgesehen wird, das eine an die Kristallstrukturabmessungen der auf ihm auszubildenden supraleitenden Phase angepaßte Textur hat,
- zumindest die Basiselektrodenschicht bei vorbestimmter Temperatur und vorbestimmtem Sauerstoffpartialdruck aus einem metalloxidischen Supraleitermaterial mit hoher kritischer Stromdichte in der Schichtebene bei hoher Sprungtemperatur und geordneter Kristallstruktur seiner supraleitenden Phase abgeschieden wird,

und

- die nicht-supraleitende Tunnelbarrierenschicht mit zu mindest einigen der Komponenten des Supraleitermaterials erstellt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß zu einer unmittelbaren Abscheidung der Tunnelbarrierenschicht (5) die Verfahrensbedingungen der Abscheidung der Basiselektrodenschicht (4) dahingehend geändert werden, daß die Temperatur so weit erniedrigt wird, daß eine nicht-supraleitende Phase des Materials der Tunnelbarrierenschicht (5) erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung der Tunnelbarrierenschicht (5) der Sauerstoffpartialdruck gegenüber dem vorhergegangenen Verfahrensschritt zur Abscheidung der Basiselektrodenschicht (4) erniedrigt wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes, das sandwichartig auf einer Flachseite eines Substrates mit zwei als Basiselektrode bzw. Gegenelektrode dienenden Schichten in getrennten Schichtebenen sowie mit einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten, als Tunnelbarriere wirkenden nicht-supraleitenden Schicht aufgebaut wird, bei welchem Verfahren

und

- die nicht-supraleitende Tunnelbarrierenschicht mit zumindest einigen der Komponenten des Supraleitermaterials erstellt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß zu einer unmittelbaren Abscheidung der Tunnelbarrierenschicht (5) auf der Basiselektrodenschicht (4) die Verfahrensbedingungen der Abscheidung der Basiselektrodenschicht (4) dahingehend geändert werden, daß mindestens eine der metallischen Komponenten des Supraleitermaterials zumindest teilweise durch eine andere metallische Komponente derart ersetzt wird, daß eine nicht-supraleitende Phase des Materials der Tunnelbarrierenschicht (5) erhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß als Ersatzkomponente ein chemisches Element vorgesehen wird, dessen atomare Abmessungen an die der zu ersetzenden metallischen Komponente angepaßt sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung der Basiselektrodenschicht (4) eine Temperatur des Substrates (2) zwischen 400°C und 850°C, vorzugsweise zwischen 600°C und 800°C vorgesehen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung der Basiselektrodenschicht (4) ein Sauerstoffpartialdruck zwischen 0,01 mbar und 10 mbar, vorzugsweise zwischen 0,2 mbar und 0,6 mbar vorgesehen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung der Tunnelbarrierenschicht (5) eine Temperatur von höchstens 400°C vorgesehen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung der Tunnelbarrierenschicht (5) ein Sauerstoffdruck von unter 0,05 mbar, vorzugsweise von unter 0,01 mbar vorgesehen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für das Substrat (2) ein Material vorgesehen wird, das einen Werkstoff aus der Gruppe MgO, SrTiO₃, ZrO₂, Ta₂O₅, LaAlO₃, LaGaO₃ zumindest enthält.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Festlegung der Flächen der einzelnen Schichten (4 bis 6) des Tunnelelementes (3) eine Schwebemaskentechnik vorgesehen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abscheidung der einzelnen Schichten (4 bis 6) des Tunnelelementes (3) ein Laser-Verdampfen oder ein Magnetron- Sputtern oder ein Hohlkathoden-Sputtern oder ein reaktives Aufdampfen oder eine Molekular-Strahl-Epitaxie oder ein CVD-Prozeß vorgesehen wird.