DE4124773A1 - Verfahren zur herstellung eines josephson-elementes - Google Patents

Description

1. Hintergrund der Erfindung

Josephson-Kontakte sind grundliegende nichtlineare Komponenten elektronischer Schaltkreise. Seit der Entdeckung der Supraleitung bei Keramiken mit perowskitähnlicher Struktur stehen Materialien zur Verfügung, aus denen sich Josephson-Kontakte herstellen lassen, die bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs arbeiten.

Die starke elektronische Anisotropie dieser Substanzen macht es notwendig, die beiden supraleitenden Elektroden entlang der CuO-Ebenen der Kristallstruktur zu koppeln, da die Kohärenzlänge ε_ab in dieser Ebene sehr viel größer ist als senkrecht dazu.

Demzufolge benötigt man für die Herstellung der Kontakte epitaktische Filme mit hoher kristalliner Güte. Das gebräuchlichste Material für Josephson-Kontakte unter den Hochtemperatur-Supraleitern ist das Selten-Erd-Cuprat YBa₂Cu₃O₇. Unser neues Konzept ist jedoch auf alle Cuprat-Supraleiter anwendbar.

Die schwache Kopplung zwischen den Elektroden erreicht man dadurch, daß man in den CuO-Ebenen eine Barriere für den Strom der supraleitenden Ladungsträger erzeugt. Die Barriere kann ein Normalleiter (N), Halbleiter (H), Isolator (I), oder eine schwach supraleitende Stelle (S*) sein. Der physikalische Mechanismus des Proximity-Effektes bewirkt, daß die N, H und S*-Barrieren auf sehr ähnliche Weise funktionieren. Man kann also die Josephson-Kontakte in die zwei Hauptgruppen SNS und SIS einteilen. Unser Konzept läßt sich auf beide Gruppen anwenden.

Ein wichtiger Punkt bei der Herstellung ist, daß man epitaktische Elektroden hat und daß die S/N- bzw. S/I-Grenzflächen innerhalb ε_ab frei von Beschädigungen sind. Da diese Länge extrem kurz, in der Größenordnung eines Nanometers, ist, haben schon die geringsten Grenzflächen-Defekte einen sehr großen Einfluß auf die Herstellung des Bauelementes.

2. Stand der Forschung

Im Lauf der Jahre 90/91 wurden viele erfolgversprechende Konzepte von Josephson-Kontakten demonstriert, die bei 77K arbeiten. Die wichtigsten Klassen von HT_c-Josephson-Kontakten sollen im folgenden diskutiert werden.

2.1. Korngrenzen Kontakte

In einem epitaktischen Film, dessen CuO-Ebenen parallel zur Filmebene (c-Achsen-orientiert) gewachsen sind, wird eine natürliche Korngrenze künstlich erzeugt.

Es ist schwierig, die Eigenschaften einer natürlichen Korngrenze so zu kontrollieren, daß man Bedingungen erhält, die günstig für einen Josephson-Kontakt sind. Die Parameter, die dabei eine Rolle spielen, sind der kritische Strom I_c und der Normalwiderstand R_n. Für den technischen Einsatz ist es notwendig, hohe I_cR_n-Produkte und enge Toleranzen für I_c (2-5%) zu haben.

Die I_cR_n-Produkte, die man bei den Korngrenzen Kontakten bekommt, liegen ein bis zwei Größenordnungen unterhalb des theoretischen Wertes. Der Variation von I_c auf einem Chip beträgt 20-100%.

2.2 Metall-Proximity-Effekt Kontakt

Eine normale, saubere Metallbarriere wird in einem Graben durch einen c-orientierten Film aufgebracht, siehe Abb. 1d. Die Breite des Grabens L muß sehr eng gehalten werden (50 nm-500 nm), da dieser Wert das I_cR_n-Produkt kontrolliert.

Der Graben wird entweder geätzt, oder durch eine Schatten-Technik direkt bei der Filmdeposition erzeugt. In beiden Fällen ist die Kontrolle von L und somit von I_cR_n extrem schwierig, weil I_c eponentiell von L abhängt. Die dadurch erzielten I_cR_n-Produkte sind 2 Größenordnungen kleiner als die theoretische obere Grenze (siehe z. B. [1]). Die I_c-Toleranzen sind bisher nicht bekannt.

2.3 Sandwich Kontakte

Man benutzt eine halbleitende epitaktische Zwischenschicht, z. B. PrBa₂Cu₃O₇ als Barriere. Das epitaktische Wachstum hat den Vorteil, daß man Heterostrukturen herstellen kann. Im allgemeinen bilden Zweifach- und Dreifachschichten die Basis für Josephson-Kontakte nach diesem Konzept. Die verschiedenen Kontakte sind in Abb. 1a-c zu sehen.

• - Die Sandwich Version (Abb. 1a) des Josephson-Kontaktes muß aus a-Achsen Filmen hergestellt werden. Da die Verbindungen in elektronischen Schaltkreisen aus c-Achsen Filmen bestehen müssen, sind Korngrenzen zwischen dem Josephson Element unvermeidlich, wenn dieses aus a-Achsen Material besteht. Durch diese Korngrenzen entstehen zusätzliche unkontrollierbare Josephson-Kontakte, oder man verwendet große Kontaktflächen, die wiederum sehr viel Platz auf einem Chip besetzen.
  Der kritische Strom und R_n lassen sich durch die Dicke der Barrierenschicht kontrollieren, was ein großer Vorteil ist, da diese mit höherer Genauigkeit zu bestimmen ist, als die Werte für L aus den anderen Beispielen. Neuere Daten zeigen, daß I_cR_n weniger als eine Größenordnung unterhalb der theoretischen Grenze liegt (siehe z. B. [2]).
• - Die planare Zweilagen Version (Abb. 1b) (siehe z. B. [3]) hat die gleichen Nachteile in der Kontrolle von L wie der Metall-Proximity-Effekt Kontakt. Die Notwendigkeit von a-Achsen-Filmen führt zu dem gleichen Integrationsproblem wie bei dem SNS-Sandwich Kontakt mit SM Barriere. Es existieren keine zuverlässigen I_cR_n-Produkt Daten.
• - Die Kantenkontakt Mikrobrücke (Abb. 1c) wird dadurch erzeugt, daß man eine Kante in einen c-Achsen Film ätzt und dann die epitaktische Barriere und die zweite Elektrode aufwächst [4], [5]. Der Nachteil besteht darin, daß man durch den Ätzprozeß die Grenzfläche beschädigt.
  Die I_cR_n-Produkte, die bei solchen Kontakten mit PrBa₂Cu₃O₇ als Barriere erreicht wurden, sind die höchsten von allen Kontakt Versionen und 4-10mal kleiner als die theoretische untere Grenze. Die Toleranzen für Ic sind bisher nicht bekannt. Das Kanten-Kontakt Konzept hat möglicherweise die größte Aussicht auf Erfolg, wenn man eine Schädigung durch einen Ätzprozeß verhindern kann.
  Als Alternative dazu kann man eine Schatten-Technik einsetzen, mit der man eine Trennung der Elektroden ohne einen Ätzprozeß erreicht [6]. In diesem Fall kann man L jedoch nur schlecht kontrollieren.

2.3 Man erzeugt eine Barriere in einer Mikrobrücke im supraleitendem Film selbst. Dies kann durch Ionen-Implantation, chemische Reaktion oder Deoxidation geschehen. Der geometrische Nachteil bei der Kontrolle von L ist der gleiche wie in Abb. 1d. Ein weiterer Nachteil ist, daß man keine scharfe S/N-Grenzfläche hat, da keine homogene Schädigung über den gesamten Brückenquerschnitt erreicht werden kann. Außerdem bereitet die Stabilität der Grenzfläche große Probleme. Es existieren keine verläßlichen Daten für das I_cR_n-Produkt.

3. Das neue Kanten-Kontakt-Konzept

Untersuchungen von HTC-Filmen an Substratstufen durch hochauflösende Elektronenmikroskopie in der KFA haben gezeigt [7], daß ein c-Achsen-orientierter Film ohne Ausbildung einer Korngrenze über eine Stufe wächst, wenn der Neigungswinkel kleiner als 45° ist (siehe Abb. 2). In Abb. 3a-d ist schematisch dargestellt, wie man sich diese Tatsache bei der Herstellung eines Josephson-Kontaktes zu Nutze machen kann.

Das Fehlen einer Korngrenze an der Stufe ermöglicht ein epitaktisches Wachstum nachfolgender Schichten. Da an der Kante die CuO-Ebenen der Schichten aneinanderstoßen, kann in diesem Gebiet I_c zwischen den supraleitenden Elektroden fließen. Um einen Josephson-Kontakt herzustellen muß man eine Barriere zwischen den beiden Schichten erzeugen, die nicht unbedingt epitaktisch zu sein hat. Auf diese Weise kann man einen Kanten-Kontakt erzeugen, ohne eine Kante zu ätzen und sich die damit verbundenen Nachteile einzuhandeln.

Da Ströme in Richtung der c-Achse den Kontakt kurzschließen können, ist es notwendig, eine Isolierschicht aufzubringen, bevor die zweite Elektrode aufgewachsen wird. Diese Isolierschicht darf jedoch nicht die a-Achsen Region an der Stufe bedecken. Dies kann durch einen Schatten bei einer gerichteten Deposition geschehen, wie es in Abb. 3b zu sehen ist.

Die gerichtete Deposition bietet sich ebenfalls dazu an, das Barrierenmaterial aufzubringen. In dem Fall muß der Teilchenstrahl jedoch von der entgegengesetzten Richtung kommen (siehe Abb. 3c), damit eine ausreichende Bedeckung der Stufe erreicht wird. Anschließend wird die zweite supraleitende Elektrode aufgewachsen (Abb. 3d), die als Basis für weitere Schichten dienen kann. So eröffnet sich die Möglichkeit, mit diesem Verfahren dreidimensionale Strukturen zu erzeugen.

Man hat hier das gleiche Problem wie in Beispiel 2.2., daß der kritische Strom von der Größe des Gebietes abhängt, das die Stufe bedeckt. Dieses Gebiet wird durch die Höhe und möglicherweise durch den Winkel der Substratstufe bestimmt, die man durch Photo- oder Schatten-Masken-Lithographie und Filmdicke beeinflussen kann. Die Abhängigkeit des kritischen Stromes von der Breite des Gebietes wird jedoch im ungünstigsten Fall linear sein, während in Beispiel 2.2.1. exponentiell von L abhängt. Andererseits hat man den Vorteil, daß man die Ausdehnung der Barriere relativ einfach über die Dicke der Barrierenschicht regulieren kann.

Zusammenfassend läßt sich als Hauptvorteil des neuen Konzeptes nennen, daß man c-Achsen-Filme in einer Dreifachschicht-Kantenkontakt-Konfiguration verwenden kann, ohne die Grenzfläche zwischen den Elektroden und der Barriere zu beschädigen. Des weiteren hat man die Möglichkeit I_c über die Dicke der Barriere zu kontrollieren. So können hohe I_cR_n-Produkte mit kleinen Toleranzen erreicht werden. Außerdem ermöglicht dieses Konzept die Herstellung dreidimensionaler Kontaktstrukturen.

Literatur

[1] R. Gross, P. Chaudhari, R. Kawasaki, A. Gupta, IEEE Trans. on Magnetics 27 (1991) 3227
[2] J.B. Barner, C.T. Rogers, A. Inam, R. Ramesh, S. Bersey, Appl. Phys. Lett. 59 (1991)
[3] Y. Tarutani, T. Fukazawa, U. Kabasawa, A. Tsukamoto, M. Hiratani, K. Takagi (Hitachi), Appl. Phy. Lett. (1991)
[4] J. Gao, W.A.M. Aarnink, G.J. Gerritsma, H. Rogalla, Physika C 171 (1990) 126
[5] R.B. Laibowitz, R.H. Koch, A. Gupta, G. Koren, V. Foglietti, B.Oh, J.M. Viggiano, Appl. Phys. Lett. 56 (1990) 686
[6] M. Dilorio, S. Yoshizumi, K.-Y. Yang, J. Zhang, M. Maung, N. Fan Proc. SQUID 91, Springer Verlag, Berlin 1991
[7] C.L. Jia, B. Kabius, K. Urban, K. Herrmann, G.J. Cui, J. Schubert, W. Zander, A.I. Braginski und C. Heiden, Physica C 175, 545 (1991)

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Kontaktes mit auf einem Substrat aufgebrachter, schichtförmiger Elektrode aus supraleitender Keramik mit perowskitähnlicher Struktur, bei dem eine erste Schicht auf einem Substrat abgeschieden, danach zur Bildung des Josephson-Kontaktes eine Barrierenschicht und anschließend eine zweite Schicht abgechieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat mit durch einen stufenförmigen Anstieg voneinander abgegrenzten Ebenen verwendet wird, bei dem der Neigungswinkel des Anstiegs so gewählt ist, daß bei Abscheidung ein ungestörtes Wachstum auch im Bereich des Anstiegs erfolgt, daß nach der Abscheidung der ersten Schicht auf Ebenen und Anstieg auf diese erste Schicht eine Isolierschicht aufgetragen wird, wobei die Abscheiderichtung so gewählt wird, daß der stufenförmige Anstieg im Schatten der Abscheiderichtung liegt, daß anschließend die Barrierenschicht zur Bildung des Josephson-Kontaktes abgeschieden wird, wobei die Abscheidung auf den Anstieg gerichtet ist, und worauf die zweite Schicht abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat verwendet wird, dessen Neigungswinkel des stufenförmigen Anstiegs kleiner als 45° ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Abscheiderichtungen durch entsprechende Ausrichtung des Substrats (und darauf bereits aufgebrachten Schichten) erzielt wird.

4. Josephson-Element mit schichtförmigen Elektroden aus supraleitender Keramik mit peroswskitähnlicher Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch einen stufenförmigen Anstieg voneinander abgegrenzte Ebenen aufweist, auf dem bzw. denen die erste schichtförmige Elektrode aufgebracht ist, daß sich auf den zu den Ebenen des Substrats parallelen Ebenen der ersten Schicht eine Isolierschicht und auf dem Anstieg der ersten Schicht eine Barrierenschicht befindet, und auf Isolier- und Barrierenschicht die zweite schichtförmige Elektrode aufgebracht ist.

5. Josephson-Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel des die Ebenen des Substrats abgrenzenden Anstiegs kleiner als 45° ist.

6. Mehrfach-Josephson-Element nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch wenigstens zwei übereinanderliegenden Schichtenfolgen, bestehend aus erster schichtförmiger Elektrode, darauf angeordneter Isolier- bzw. Barrierenschicht und darauf aufgebrachter zweiter schichtförmiger Elektrode.