DE4124773C2 - Josephson-Element aus supraleitender Keramik mit perowskitähnlicher Struktur und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Josephson-Element nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Josephson-Element ist beispielsweise aus der DE 38 22 905 A1, der JP 1-117 376 A oder aus IEEE Transactions on Magnetics, Bd. 27, 1991, S. 3062-3065, bekannt. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses Josephson- Elementes.

Die starke elektronische Anisotropie der supraleitenden Keramik mit perowskitähnlicher Struktur macht es notwendig, die beiden supraleitenden Elektro­ den entlang der CuO-Ebenen der Kristallstruktur zu kop­ peln, da die Kohärenzlänge 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 Ma­ terial für Josephson-Kontakte unter den Hochtemperatur- Supraleitern ist das Selten-Erd-Cuprat YBa₂Cu₃O₇.

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.

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

Die wichtigsten Klassen von Josephson-Kontakten aus Hochtemperatur-(HT_c-)Supraleitern werden im folgenden diskutiert:

1. Korgrenzen-Kontakte

In einem epitaktischen Film, dessen CuO-Ebenen paral­ lel 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-Kontak­ ten bekommt, liegen ein bis zwei Größenordnungen unter­ halb des theoretischen Wertes. Die Variation von I_c auf einem Chip beträgt 20-100%.

2. Metall-Proximity-Effekt Kontakt

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

Der Graben wird entweder geätzt oder durch eine Schat­ ten-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 exponentiell von L ab­ hängt. Die dadurch erzielten I_cR_n-Produkte sind 2 Grö­ ßenordnungen kleiner als die theoretische obere Grenze (IEEE Trans on Magnetics, Bd. 27, 1991, S. 3227 ff.). Die I_c-Toleranzen sind bisher nicht bekannt.

3. Sandwich-Kontakte

Man benutzt eine halbleitende epitaktische Zwischen­ schicht, z. B. PrBa₂Cu₃O₇, als Barriere. Das epitaktische Wachstum hat den Vorteil, daß man Heterostrukturen her­ stellen kann. Im allgemeinen bilden Zweifach- und Drei­ fachschichten 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-Kontak­ tes 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 Bar­ rierenschicht kontrollieren, was ein großer Vorteil ist, da diese mit höherer Genauigkeit zu bestimmen ist als die Werte für L aus den anderen Beispielen. Daten zeigen, daß I_cR_n weniger als eine Größenordnung unterhalb der theoretischen Grenze liegt (Appl. Phys. Lett., Bd. 59, 1991, S. 742-744).

• - Die planare Zweilagen Version (Abb. 1b) (Appl. Phys. Lett., Bd. 59, 1991, S. 2707-2709) hat die gleichen Nachteile in der Kontrolle von L wie der Metall-Proximity-Ef­ fekt- 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.

Der Nachteil besteht darin, daß man durch den Ätzprozeß die Grenzfläche beschädigt. Die aus JP 1-117 376 A oder IEEE Transactions on Magnetics, Bd. 27, 1991, S. 3062-3065 bekannten Josephson-Elemente weisen diesen Nachteil auf.

• - Die I_cR_n-Produkte, die bei solchen Kontakten mit PrBa₂Cu₃O₇ als Barriere erreicht wurden, sind die höchsten von allen Kontakt Versionen und 4-10 mal kleiner als die theoretische untere Grenze. Die Toleranzen für I_c sind bisher nicht be­ kannt. Das Kantenkontakt 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 einset­ zen, mit der man eine Trennung der Elektroden ohne einen Ätz­ prozeß erreicht.

In diesem Fall kann man L jedoch nur schlecht kontrollieren. Dieser Nachteil tritt beim Josephson-Element, wie aus DE 38 22 905 A1 bekannt, auf.

4. Man erzeugt eine Barriere in einer Mikrobrücke im supra­ leitendem 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.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein kontrollierbar erhältliches Josephson-Elements zu schaf­ fen, mit dem hohe I_cR_n-Produkte mit kleinen Toleranzen erziel­ bar sind. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Jo­ sephson-Elements zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Josephson-Element nach dem Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach dem Anspruch 3 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Untersuchungen von HT_c-Filmen an Substratstufen durch hochauflösende Elektronenmikroskopie haben gezeigt, daß ein c-Achsen-orientierter Film ohne Aus­ bildung einer Korngrenze über eine Stufe wächst, wenn der Neigungswinkel kleiner als 45° ist (siehe Abb. 2 oder Physica C, Bd. 175, 1991, S. 545 ff.). Daher weist eine Dreifachschicht-Kantenkon­ takt-Konfiguration entsprechend Anspruch 1 auch an der Grenzfläche zwischen den Elektroden und der Barrieren­ schicht keine Beschädigung auf. Damit ist die Ausdeh­ nung der Barriere relativ einfach über die Dicke der Barrierenschicht regulierbar, wodurch hohe I_cR_n-Pro­ dukte mit kleinen Toleranzen erzielbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren erläutert.

Es zeigt:

Abb. 3a-d: schematische Darstellung der Herstellung des Josephson-Kontaktes.

In Abb. 3a-d ist schematisch dargestellt, wie man sich die Tatsache, daß ein c-Achsen-orientierter Film ohne Ausbildung einer Korngrenze über eine Stufe wächst, wenn der Neigungswinkel kleiner als 45° ist, bei der Herstel­ lung 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 aneinan­ derstoßen, kann in diesem Gebiet I_c zwischen den supra­ leitenden Elektroden fließen. Um einen Josephson Kon­ takt herzustellen, muß man eine Barriere zwischen den beiden Schichten erzeugen, die nicht unbedingt epitak­ tisch zu sein hat. Auf diese Weise kann man einen Kan­ ten-Kontakt erzeugen, ohne eine Kante zu ätzen und sich die damit verbundenen Nachteile einzuhandeln.

Da Ströme in Richtung der c-Achse den Kontakt kurz­ schließen 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 gesche­ hen, 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 entgegengesetz­ ten Richtung kommen (siehe Abb. 3c), damit eine aus­ reichende Bedeckung der Stufe erreicht wird. Anschlie­ ßend wird die zweite supraleitende Elektrode aufgewach­ sen (Abb. 3d), die als Basis für weitere Schichten dienen kann. So eröffnet sich die Möglichkeit, mit diesem Verfahren dreidimensionale Strukturen zu erzeu­ gen.

Man hat hier das gleiche Problem wie in Beispiel 2, daß der kritische Strom von der Größe des Gebietes ab­ hängt, das die Stufe bedeckt. Dieses Gebiet wird durch die Höhe und möglicherweise durch den Winkel der Sub­ stratstufe 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 I_c exponentiell von L ab­ hängt. Andererseits hat man den Vorteil, daß man die Ausdehnung der Barriere relativ einfach über die Dicke der Barrierenschicht regulieren kann.

Claims (5)

1. Josephson-Element aus supraleitender Keramik mit perowskitähnlicher Struktur, bei dem auf einem Substrat sowohl eine erste als auch eine zweite schichtförmige Elektrode c-Achsen-orientiert aufgebracht und durch eine Barrierenschicht in Richtung der ab-Ebenen gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch einen stufenförmigen Anstieg voneinander abgegrenzte Ebenen aufweist, wobei der Neigungswinkel des die Ebenen des Substrats ab­ grenzenden Anstiegs kleiner als 45° ist, daß auf dem Substrat die erste schichtförmige Elektrode auf die Ebenen und den Anstieg aufgebracht ist, daß sich auf dem Anstieg der ersten Schicht eine Barrierenschicht befindet und daß auf der Barrierenschicht die zweite schichtförmige Elektrode aufgebracht ist.

2. Josephson-Element gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf den zu den Ebenen des Substrats parallelen Ebenen der ersten schichtförmigen Elektrode eine Isolierschicht befindet.

3. Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Elementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abscheidung der ersten schichtförmigen Elektrode ein ungestörtes c-Achsen-orientiertes Wachstum auch im Bereich des Anstiegs erfolgt, daß nach der Abscheidung der ersten Schicht auf diese erste Schicht die Barrierenschicht zur Bildung des Josephson-Kontaktes abgeschieden wird, wobei die Abscheidung auf den Anstieg gerichtet ist, und daß sodann die zweite Schicht abgeschieden wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß nach der Abscheidung der ersten Schicht auf diese erste Schicht die Isolierschicht aufgetragen wird, wobei die Abscheiderichtung so gewählt wird,
daß der stufenförmige Anstieg im Schatten der Abscheiderichtung liegt und anschließend die Barrienschicht abgeschieden wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Abscheiderichtungen durch entsprechende Ausrichtung des Substrats und darauf ggf. bereits auf gebrachten Schichten erzielt wird.