DE3924022C2 - Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes mit metalloxidischem Supraleitermaterial - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes mit metalloxidischem SupraleitermaterialInfo
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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 Tc 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 YBa2Cu3O7-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 Tc der supraleitenden Phase
liegt dabei bei etwa 90 K. Da die solche supraleitenden Phasen
aufweisenden Materialien den Oxidkeramiken zuzurechnen sind,
werden die entsprechenden Hoch-Tc-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 YBa2Cu3O7-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-Tc-Materials aus
machen. Aus diesem Grunde ist im Falle von YBa2Cu3O7-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-Tc-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 YBa2Ca3O7-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-Tc-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-
Tc-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-Tc-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 (15)
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
- - 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 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3924022A DE3924022C2 (de) | 1989-07-20 | 1989-07-20 | Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes mit metalloxidischem Supraleitermaterial |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE3924022A DE3924022C2 (de) | 1989-07-20 | 1989-07-20 | Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Tunnelelementes mit metalloxidischem Supraleitermaterial |
Publications (2)
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DE3924022A1 DE3924022A1 (de) | 1991-01-24 |
DE3924022C2 true DE3924022C2 (de) | 1995-01-05 |
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US5047390A (en) * | 1988-10-03 | 1991-09-10 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Josephson devices and process for manufacturing the same |
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