DE4212028C2 - Grain boundary Josephson element with metal oxide high-temperature superconductor material, process for its production and use of the element - Google Patents
Grain boundary Josephson element with metal oxide high-temperature superconductor material, process for its production and use of the elementInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Korngrenzen-Josephson element mit metalloxidischem Hochtemperatursupraleiter- (HTS)-Material gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein dertiges Josephsonelement geht aus der JP-Veröffentlichung "Jap. Journ. Appl. Phys.", Vol. 30, No. 4A, Apr. 1991, Seiten L587 bis L589 hervor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Josephsonelementes sowie dessen Verwendung.The invention relates to a grain boundary Josephson element with metal oxide high-temperature superconductor (HTS) material according to the preamble of claim 1. a current Josephson element comes from the JP publication "Jap. Journ. Appl. Phys.", Vol. 30, No. 4A, Apr. 1991, pages L587 to L589. The invention relates also a method for producing such a Josephson element as well as its use.
Supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtem peraturen Tc von insbesondere über 77 K, die deshalb mit flüssigem Stickstoff (LN2) gekühlt werden können, sind allgemein bekannt. Entsprechende Metalloxidverbindungen, bei denen es sich insbesondere um Cuprate handelt, basie ren beispielsweise auf einem Stoffsystem des Typs Me1-Me2-Cu-O, wobei die Komponenten Me1 ein Seltenes Erd metall einschließlich Y und Me2 ein Erdalkalimetall zumin dest enthalten. Hauptvertreter dieser Gruppe ist das vier komponentige Stoffsystem Y-Ba-Cu-O. Daneben weisen auch Phasen von fünf- oder höherkomponentigen Cupraten wie z. B. auf Basis des Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-O oder Tl-Ba-Ca-Cu-O ebenfalls Sprungtemperaturen über 77 K auf.Superconducting metal oxide compounds with high jump temperatures T c of in particular above 77 K, which can therefore be cooled with liquid nitrogen (LN 2 ), are generally known. Corresponding metal oxide compounds, which are in particular cuprates, are based, for example, on a material system of the type Me1-Me2-Cu-O, the components Me1 containing a rare earth metal including Y and Me2 an alkaline earth metal at least. The main representative of this group is the four-component material system Y-Ba-Cu-O. In addition, phases of five- or higher-component cuprates such as z. B. based on the material system Bi-Sr-Ca-Cu-O or Tl-Ba-Ca-Cu-O also jump temperatures above 77 K.
Es ist gelungen, mittels spezieller PVD- oder CVD-Prozesse dünne Schichten aus diesen HTS-Materialien herzustellen, die eine hohe kritische Stromdichte ermöglichen. Man ist deshalb auch bestrebt, mit solchen Schichten sogenannte Josephson-Elemente bzw. -Kontakte auszubilden, wie sie ge nerell von den konventionellen metallischen Supraleiterma terialien, die mit flüssigem Helium (LHe) gekühlt werden, bekannt sind. Hierbei tritt jedoch im Gegensatz zu den konventionellen metallischen Supraleitermaterialien die Problematik auf, daß die bekannten metalloxidischen HTS- Materialien nur eine kurze Kohärenzlänge und eine starke Anisotropie aufweisen.We have succeeded using special PVD or CVD processes to produce thin layers from these HTS materials, which enable a high critical current density. One is therefore also strives with so-called layers Form Josephson elements or contacts, as ge nerell from the conventional metallic superconductor materials that are cooled with liquid helium (LHe), are known. However, this occurs in contrast to the conventional metallic superconductor materials Problem that the known metal oxide HTS Materials only a short coherence length and a strong one Have anisotropy.
Unter Berücksichtigung dieser Problematik wird ein Weg zu einer Ausbildung von Josephsonelementen in einer gezielten Ausnutzung von Korngrenzen zwischen benachbarten HTS-Kri stallbereichen gesehen. Hierbei wird von der Beobachtung ausgegangen, daß im HTS-Material Korngrenzen häufig den bekannten Josephson-Effekt zeigen. Man hat deshalb ver sucht, durch einen gezielten Einbau von Kristallfehlern in ein Substrat, z. B. durch Einbau eines Bikristalles mit Zwillingsgrenzen in die Gitterstruktur des Substrates, an diesen Fehlerstellen Korngrenzen in einer darauf abge schiedenen HTS-Schicht zu erzeugen (vgl. z. B. "Phys. Rev. B", Vol. 41, Nr. 7, März 1990, Seiten 4038 bis 4049).Taking this problem into account, a way will be found an education of Josephson elements in a targeted Exploitation of grain boundaries between neighboring HTS crises seen stall areas. This is from observation assumed that grain boundaries are often used in the HTS material show known Josephson effect. One has therefore ver seeks through the targeted incorporation of crystal defects in a substrate, e.g. B. by installing a bicrystal Twin boundaries in the lattice structure of the substrate these flaws grain boundaries in one on it to produce different HTS layers (cf. e.g. "Phys. Rev. B ", Vol. 41, No. 7, March 1990, pages 4038 to 4049).
Bei dem aus der EP 03 64 101 A2 zu entnehmenden Josephson element wird die Tatsache ausgenutzt, daß Dünnfilme aus metalloxidischem HTS-Material mit einer senkrechten Aus richtung der c-Kristallachsen bezüglich der Filmebene über eine hinreichend flache Unebenheit einer Substratoberflä che störungsfrei hinwegwachsen können, jedoch bei einem Übergang an steilere Flanken dort Korngrenzen ausbilden. Dementsprechend wird auf einem ebenen Substrat in einem Bereich, wo ein Josephsonelement entstehen soll, ein den Kristallaufbau des Substrates störendes Material in Form einer gratartigen Erhebung abgeschieden. Wenn nun auf ei nem derartigen Aufbau epitakisch ein HTS-Dünnfilm auf wächst, so wird in diesem Film in dem Scheitelbereich der gratartigen Erhebung eine Störung der Kristallstruktur in Form einer Korngrenze eingebaut, die wegen ihrer "Weak- Link"-Eigenschaften einen Josephson-Kontakt darstellt. Ein solcher Kontakt bildet die Basis eines sogenannten Korn grenzen-Josephsonelementes.With Josephson, which can be found in EP 03 64 101 A2 element takes advantage of the fact that thin films are made of metal oxide HTS material with a vertical out direction of the c-crystal axes with respect to the film plane a sufficiently flat unevenness of a substrate surface che can grow away without interference, but with one Form grain boundaries there on steeper flanks. Accordingly, on a flat substrate in one Area where a Josephson element is to be created Crystal structure of the substrate in the form of disruptive material deposited in a burr-like survey. If now on egg In such a structure, an HTS thin film epitaxially grows, so in this film the apex area of the burr-like elevation a disturbance of the crystal structure in Form of a grain boundary, which because of its "weak Link "properties represents a Josephson contact such contact forms the basis of a so-called grain border Josephson element.
Eine weitere Möglichkeit zu einer Ausbildung eines Korn grenzen-Josephsonelementes wird gemäß der genannten EP-A darin gesehen, daß man in das Substrat eine leicht abge winkelte bzw. abgeschrägte Flanke einarbeitet. Wenn dann ein über die Kante zwischen dem nicht-abgeschrägten Teil der Substratoberfläche und der abgeschrägten Kante verlau fender HTS-Film abgeschieden wird, so beobachtet man an dieser Kante eine eine Korngrenze bildende Störung der Kristallorientierung des Films. Gemäß der EP-A soll die abgeschrägte Flanke jedoch durch ein entsprechendes Ab schleifen des Substrates ausgebildet werden. Ein solches Verfahren ist sehr aufwendig und ermöglicht kaum die Her stellung von ganzen Arrays entsprechender Josephsonelemen te. Another way to train a grain limit-Josephson element is according to the mentioned EP-A seen in that a slightly abge in the substrate angled or beveled flank incorporated. If then one over the edge between the non-beveled part the substrate surface and the bevelled edge are blue fender HTS film is deposited, one observes this edge is a disturbance of the grain boundary Crystal orientation of the film. According to EP-A, the bevelled edge, however, by a corresponding Ab grinding of the substrate are formed. Such one The process is very complex and hardly possible Provision of entire arrays of corresponding Josephson elements te.
Ferner ist es aus der eingangs genannten Literaturstelle aus "Jap. Journ. Appl. Phys." bekannt, zwei Korngrenzen- Josephsonelemente eines DC-SQUIDs mit einem epitaktischen HTS-Filmstreifen an einem stufenartigen Übergang zwischen zwei Ebenen einer epitaxiefähigen Unterlage auszubilden. Der zwischen der Oberkante der Stufe und deren Unterkante verlaufende Übergangsbereich der Unterlage stellt dabei eine abgeschrägte Flanke dar, deren Fläche mit der oberen Ebene einen vorbestimmten spitzen Winkel (< 90°) einschließt. Auf diese Weise werden in dem über diese Stufe verlaufenden HTS-Filmstreifen jeweils zwei Korngrenzen ausgebildet, nämlich an der Oberkante der Stufe und an deren Unterkante. Es ergibt sich so jeweils eine Serienschaltung von zwei Josephsonkontakten. Dies ist jedoch insbesondere für eine Ausbildung von SQUIDs nachteilig. An der unteren Korngrenze lassen sich nämlich Fehler durch Ätzreste und Verunreinigungen, die bei einem Einarbeiten der Stufe in die epitaxiefähige Unterlage insbesondere mittels eines Ätzschrittes entstehen, nicht leicht vermeiden. Die Ausbeute bei der Herstellung entsprechender Josephsonelemente und deren Zuverlässigkeit sind dementsprechend beeinträchtigt.Furthermore, it is from the literature mentioned at the beginning from "Jap. Journ. Appl. Phys." known two grain boundaries Josephson elements of a DC-SQUID with an epitaxial HTS filmstrip at a step-like transition between to form two levels of an epitaxial support. The one between the top edge of the step and its bottom edge running transition area of the pad provides a beveled flank, the surface of which is aligned with the upper Plane includes a predetermined acute angle (<90 °). This way you will be in this stage running HTS film strips each have two grain boundaries trained, namely at the top of the step and on the bottom edge. This results in a series connection of two Josephson contacts. However, this is particularly disadvantageous for training SQUIDs. At The lower grain boundary can be mistaken Corrosive residues and impurities that occur during incorporation the level in the epitaxial support in particular created by an etching step, not easy to avoid. The yield in the production of corresponding Josephson elements and their reliability are accordingly impaired.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Josephson element mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß die genannten Probleme des Standes der Technik zumindest verringert sind. Insbesondere soll das Josephsonelement verhältnismäßig leicht mit reproduzierba ren elektrischen Eigenschaften herzustellen sein. Auch sollen sich mit entsprechenden Elementen ganze Arrays oder elektrische Anordnungen wie SQUIDs auf einfache Weise aus bilden lassen. The object of the present invention is the Josephson element with the characteristics mentioned above to design that the problems of the state of the Technology are at least reduced. In particular, that should Josephson element relatively easy with reproducible electrical properties. Also whole arrays or electrical arrangements such as SQUIDs in a simple manner let form.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved according to the invention in claim 1 specified features solved.
Die mit dieser Ausgestaltung des Josephsonelementes verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß lediglich jene Korngrenze als Josephsonkontakt genutzt wird, die sich an der Oberkante der Stufe durch epitaktisches Wachstum bildet. Die in mindestens einer über die Stufenkante hinwegführenden streifenförmigen Leiterbahn (Leiterstreifen) ausgebildete Korngrenze ist nämlich aufgrund der erfindungsgemäß breiten Ausgestaltung der Leiterstücke dieser Leiterbahn so weit verbreitert, daß praktisch keine wesentliche Einschränkung der Stromtragfähigkeit, wie dies sonst bei Josepsonkontakten der Fall ist, auftritt. Das heißt, bei dem Josephsonelement nach der Erfindung wirkt die Korngrenze an de Stufenunterkante quasi als ein supraleitender Kurzschluß. Die Folge davon sind vorteilhaft große Toleranzen hinsichtlich der Tiefe der Stufe, der Qualität der Unterlage auf der unteren Etage der Stufe, hinsichtlich von Defekten an der unteren Korngrenze und hinsichtlich der Justage einer Maske relativ zur Stufe, mit welcher Maske der Geometrie der Leiterstücke auf der Flanke und der unteren Etage der Stufe festzulegen ist.The associated with this design of the Josephson element Advantages can be seen in particular in that only that grain boundary used as a Josephson contact that is at the top of the step by epitaxial Growth forms. The in at least one over the Strip-shaped conductor track leading away from the step edge (Conductor strip) is formed grain boundary due to the broad design of the invention Pieces of this trace so widened that practically no significant limitation of the current carrying capacity, as is otherwise the case with Josepson contacts is occurs. That is, with the Josephson element after the grain boundary at the bottom of the step acts according to the invention quasi as a superconducting short circuit. The consequence of this are advantageous large tolerances in terms of depth the level, the quality of the underlay on the bottom Level of the stage, regarding defects on the lower one Grain limit and relative with regard to the adjustment of a mask to the level with which mask of the geometry of the conductor pieces on the flank and the lower floor of the step is to be determined.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Josephsonelements nach der Erfindung gehen aus den zugeordneten Unteransprüchen hervor.Advantageous embodiments of the Josephson element according to the invention go from the associated subclaims forth.
Zur Herstellung eines entsprechenden Josephsonelementes ist ein Verfahren besonders geeignet, bei dem die Strukturierung des oberen Leiterstückes mittels eines Strahles erfolgt, der unter einem Winkel auf die Ebene des Leiter stückes trifft, der höchstens so groß wie der Neigungswin kel der Flanke gegenüber dieser Ebene ist. Insbesondere kann aus einem HTS-Film in einem Ätzprozeß mittels eines Ionenstrahls das Leiterstück strukturiert werden. Bei ei nem solchen gerichteten Ionenätzen verbleibt unbeeinträch tigt der auf der abgeschrägten Flanke befindliche Teil des HTS-Films. Auf diese Weise läßt sich vorteilhaft ein Ätzen in einem sehr viel gröberen Maßstab durchführen, als es üblicherweise zur Ausbildung von Josephsonkontakten erfor derlich ist.For the production of a corresponding Josephson element a method is particularly suitable in which the structuring the upper conductor piece by means of a beam takes place at an angle to the level of the conductor piece hits, which is at most as large as the inclination win angle of the flank is opposite this plane. Especially can be made from an HTS film in an etching process using a Ion beam the conductor piece are structured. With egg Such directed ion etching remains unaffected the part of the HTS films. In this way, an etching can advantageously be carried out perform on a much rougher scale than it does Usually used to develop Josephson contacts is such.
Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung von mindestens einem Josephsonelement nach der Erfindung zum Aufbau eines SQUIDs, dessen SQUID-Schleife einen Schlitz aufweist, der auf der Flanke geschlossen ist. Auf diese Weise wird in dem den Schlitz schließenden Teil der SQUID-Schleife eine Ausbildung von Korngrenzen vermieden. Die Verwendung von Korngrenzen-Josephsonelementen in SQUIDs ist prinzipiell aus der eingangs genannten Literaturstelle aus "Jap. Journ. Appl. Phys." oder aus "Appl. Phys. Lett.", Vol. 57, No. 7, Aug. 1990, Seiten 727 bis 729 bekannt.The use of at least is particularly advantageous a Josephson element according to the invention for building a SQUIDs whose SQUID loop has a slot that is closed on the flank. This way, in the part of the SQUID loop that closes the slot Avoiding grain boundaries. The use of Grain boundary Josephson elements in SQUIDs is fundamental from the above-mentioned literature reference from "Jap. Journ. Appl. Phys. "Or from" Appl. Phys. Lett. ", Vol. 57, No. 7, Aug. 1990, pages 727 to 729.
Zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird nachfolgend auf die schematischen Zeichnungen Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Josephsonelement nach der Erfindung veran schaulicht ist. In Fig. 2 ist ein Verfahrensschritt zur Herstellung eines solchen Josephsonelementes angedeutet. To explain exemplary embodiments of the invention, reference is made below to the schematic drawings, in which FIG. 1 shows a Josephson element according to the invention. A method step for producing such a Josephson element is indicated in FIG .
Fig. 3 zeigt ein SQUID mit zwei erfindungsgemäßen Joseph sonelementen. In Fig. 4 ist eine alternative Anschlußmög lichkeit für ein solches SQUID dargestellt. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Fig. 3 shows a SQUID with two Joseph son elements according to the invention. In FIG. 4, an alternative Anschlußmög friendliness is shown for such a SQUID. In the figures, corresponding parts are provided with the same reference symbols.
Das in Fig. 1 gezeigte, allgemein mit 2 bezeichnete Jo sephsonelement weist einen Dünnfilm-Aufbau aus bekannten supraleitenden Materialien mit hoher Sprungtemperatur Tc von über 77 K auf. Die Zusammensetzung ent sprechender HTS-Materialien basiert dabei auf einem me tallische Komponenten und Sauerstoff enthaltenden Stoff system. Als Ausführungsbeispiel sei aus dem speziellen Stoffsystem Y-Ba-Cu-O das HTS-Material YBa2Cu3O7-x (mit 0,5<x<1) ausgewählt. Das Material des erfindungsgemä ßen Josephsonelementes ist jedoch nicht auf dieses spe zielle Stoffsystem beschränkt; d. h., es sind ebensogut auch andere mehrkomponentige oxidkeramische HTS-Supralei termaterialien geeignet, welche diesem speziellen Stoff system nicht zuzurechnen sind und zumindest teilweise an dere und/oder zusätzliche metallische Komponenten und Sauerstoff enthalten.The shown in Fig. 1, generally designated 2 Jo sephsonelement has a thin film structure made of known superconducting materials with a high transition temperature T c of over 77 K. The composition of corresponding HTS materials is based on a metallic component and oxygen-containing material system. As an exemplary embodiment, the special material system Y-Ba-Cu-O is the HTS material YBa 2 Cu 3 O 7-x (with 0, 5 <x <1) selected. However, the material of the Josephson element according to the invention is not limited to this special material system; that is, other multicomponent oxide-ceramic HTS-Supralei termaterials are equally well suited, which are not attributable to this special material system and at least partially contain other and / or additional metallic components and oxygen.
Das Josephsonelement 2 weist einen dünnen, allgemein mit 3 bezeichneten Leiterstreifen aus dem ausgewählten HTS-Mate rial auf. Dieser Leiterstreifen 3 ist epitaktisch auf ei ner in besonderer Weise gestuften Unterlage 4 abgeschieden und soll eine hohe kritische Stromtragfähigkeit (Strom dichte) in der Größenordnung von mindestens 104 A/cm2 in der Nähe der Sprungtemperatur Tc seines HTS-Materials ge währleisten. Die Dicke D des Leiterstreifens 3 liegt in der Größenordnung zwischen 1 nm und 500 nm. The Josephson element 2 has a thin, generally designated 3 conductor strip made of the selected HTS material. This conductor strip 3 is deposited epitaxially on egg ner layer 4 in a special way and is intended to ensure a high critical current carrying capacity (current density) of the order of at least 10 4 A / cm 2 in the vicinity of the transition temperature T c of its HTS material. The thickness D of the conductor strip 3 is in the order of magnitude between 1 nm and 500 nm.
Die Unterlage 4 ist durch ein an sich be kanntes Substrat gebildet, auf dem das HTS-Material nach bekannten Verfahren epitaktisch aufwachsen kann. Ent sprechende Substratmaterialien, deren jeweilige kristalli ne Einheitszelle vorteilhaft an die entsprechenden Abmes sungen der Einheitszelle des verwendeten HTS-Materials an gepaßte Maße hat, sind z. B. SrTiO3, BaTiO3, LaAlO3, NdAlO3, NdGaO3, MgO, MgAl2O4 oder Y-stabilisiertes ZrO2. Auch ist als Substrat Si, das zudem noch dotiert oder als Si-Verbindung vorliegen kann, geeignet, wenn es im allge meinen mit einer diffusionshemmenden Zwischenschicht, ei ner sogenannten "Bufferlayer", abgedeckt ist. Für das Aus führungsbeispiel sei im folgenden ein SrTiO3-Substrat als Unterlage ausgewählt.The base 4 is formed by a substrate known per se, on which the HTS material can grow epitaxially according to known methods. Corresponding substrate materials, the respective crystalline ne unit cell advantageous to the corresponding dimen- sions of the unit cell of the HTS material used to fit dimensions are, for. B. SrTiO 3 , BaTiO 3 , LaAlO 3 , NdAlO 3 , NdGaO 3 , MgO, MgAl 2 O 4 or Y-stabilized ZrO 2 . Also suitable as substrate Si, which can also be doped or as a Si compound, is suitable if it is generally covered with a diffusion-inhibiting intermediate layer, a so-called "buffer layer". For the exemplary embodiment, a SrTiO 3 substrate is selected as a base in the following.
Da das Substrat 4 stufenförmig ausgebildet sein soll, ist seine mit dem erfindungsgemäßen Aufbau zu versehende Ober fläche in zwei in verschiedenen parallelen Ebenen E1 und E2 liegende Oberflächenteile 5 und 6 unterteilt. Die ge genseitige Entfernung der beiden Ebenen E1 und E2 ist mit e bezeichnet. Sie liegt im allgemeinen in der Größenord nung von 100 nm. Die Oberflächenteile 5 und 6 bilden zwi schen sich eine gemeinsame Stufe 7. Diese in das Substrat 4 z. B. eingeätzte Stufe weist zwischen einer Oberkante 9 und einer Unterkante 10 eine schräg verlaufende Flanke 11 auf. Das heißt, die Normale N1 auf der Ebene E1 (oder E2) soll dabei mit der Normalen N2 auf dieser Flanke einen vorbestimmten, spitzen Winkel α (< 90°) einschließen. Über diese Stufe 7 hinweg soll sich das Josephsonelement 2 er strecken. Deshalb ist sein Leiterstreifen 3 in zwei durch die Stufe getrennte Leiterstücke 3a und 3b, welche in den beiden Ebenen E1 und E2 liegen, sowie in ein Leiterstück 3c auf der Flanke 11 unterteilt. Der Leiterstreifen soll dabei eine vorbestimmte Breite b1 quer zur Stromführungs richtung durch das Josephsonelement 2 haben.Since the substrate 4 is to be of stepped design, its upper surface to be provided with the structure according to the invention is divided into two surface parts 5 and 6 lying in different parallel planes E1 and E2. The mutual distance of the two planes E1 and E2 is denoted by e. It is generally in the order of magnitude of 100 nm. The surface parts 5 and 6 form a common step 7 between . This in the substrate 4 z. B. etched step has an oblique edge 11 between an upper edge 9 and a lower edge 10 . This means that the normal N1 on the plane E1 (or E2) should enclose a predetermined, acute angle α (<90 °) with the normal N2 on this flank. Over this level 7 , the Josephson element 2 he should stretch. Therefore, its conductor strip 3 is divided into two conductor pieces 3 a and 3 b separated by the stage, which lie in the two planes E1 and E2, and into a conductor piece 3 c on the flank 11 . The conductor strip should have a predetermined width b1 transverse to the current carrying direction through the Josephson element 2 .
Die Breite der Josephsonbarriere des erfindungsgemäßen Elementes 2 ist definiert durch die Breite b1 des oberen steg- oder streifenförmigen Leiterstückes 3a, das in der Ebene E1 liegt und bis an die Oberkante 9 führt. Diese Breite b1 sollte die von der Stromdichte des Elementes ab hängige Josephsoneindringtiefe unterschreiten und liegt deshalb im allgemeinen in der Größenordnung von 1 µm. Die Höhe der Josephsonbarriere des Elementes ist entsprechend durch die Dicke D des Leiterstreifens 3 im Bereich der Oberkante gegeben. Der sich über die Oberkante 9 hinweg erstreckende Leiterstreifen 3 bildet dort in an sich be kannter Weise (vgl. die genannte EP-A) eine Korngrenze, deren elektrische Eigenschaften auch durch die Größe des Neigungswinkels α der Flanke 11 bezüglich der Ebene E1 bestimmt werden. Dabei werden Winkel von über 30°, vor zugsweise über 45° und insbesondere über 60° im Hinblick auf eine Ausbildung von geeigneten Körnern als günstig angesehen. Erfindungsgemäß wird nun die Wirksamkeit der entsprechend an der Stufenunterkante 10 in dem Leiter streifen 3 gebildeten Korngrenze dadurch unterdrückt, daß man diese auf wesentlich größerer Breite überbrückt. Hier zu ist nicht nur die Breite B des auf der Flanke 11 be findlichen (mittleren) Leiterstückes 3c wesentlich größer als die Breite b1 gewählt, sondern an dieses mittlere Lei terstück grenzt an der Stufenunterkante 10 ein weiteres (unteres) Leiterstück 13b, dessen Breite b2 ebenfalls we sentlich größer als die des oberen Leiterstückes 3a ist. The width of the Josephson barrier of the element 2 according to the invention is defined by the width b1 of the upper web-like or strip-shaped conductor portion 3 a, which lies in the plane E1 and leads to the upper edge. 9 This width b1 should be less than the Josephson penetration depending on the current density of the element and is therefore generally of the order of 1 µm. The height of the Josephson barrier of the element is correspondingly given by the thickness D of the conductor strip 3 in the area of the upper edge. The conductor strip 3 extending over the upper edge 9 there forms in a manner known per se (cf. EP-A mentioned) a grain boundary, the electrical properties of which are also determined by the size of the angle of inclination α of the flank 11 with respect to the plane E1. Angles of more than 30 °, preferably more than 45 ° and in particular more than 60 ° are regarded as favorable with regard to the formation of suitable grains. According to the invention, the effectiveness of the grain boundary formed on the lower edge 10 in the conductor strip 3 is suppressed by bridging it over a much greater width. Here too, not only is the width B of the (middle) conductor piece 3 c on the flank 11 selected to be substantially larger than the width b1, but this middle conductor piece borders on the lower step edge 10 another (lower) conductor piece 13 b, the Width b2 is also considerably larger than that of the upper conductor piece 3 a.
Das Leiterstück 13b ist dabei Teil eines entsprechend breiten Leiterstreifens 13. Dieser Leiterstreifen er streckt sich aus Gründen einer vereinfachten Lithographie nicht nur über die Stufenunterkante 10, sondern über die gesamte Stufe 7 parallel zu dem Leiterstreifen 3 und ist mit diesem über das mittlere, auf der Flanke 11 entspre chend breit ausgebildete Leiterstück 3c verbunden. Somit enthält der Leiterstreifen 13 auch ein oberes, in der oberen Ebene E1 liegendes Leiterstück 13a der Breite b2. Um den gewünschten supraleitenden Kurzschluß an der Stu fenunterkante 10 zu gewährleisten, müssen also die Breiten b2 des Leiterstückes 13b sowie B des Leiterstückes 3c je weils um ein Mehrfaches, vorzugsweise um mindestens das Dreifache breiter sein als die Breite b1 des oberen Leiter stückes 3a. Dabei ist die Breite B mindestens um die Brei te b1 größer als die Breite b2.The conductor piece 13 b is part of a correspondingly wide conductor strip 13 . This conductor strip he stretches for reasons of simplified lithography not only over the lower step edge 10 , but over the entire step 7 parallel to the conductor strip 3 and is connected to this over the middle, on the flank 11 accordingly broadly designed conductor piece 3 c. The conductor strip 13 thus also contains an upper conductor piece 13 a of the width b2 lying in the upper plane E1. To provide the desired superconductive short fenunterkante at the Stu to ensure 10, ie, the widths b2 of the conductor piece 13 must b and B of the conductor piece 3 c each weils by a multiple, preferably three times to be at least wider than the width b1 of the upper conductor portion 3 a. The width B is at least the width te b1 larger than the width b2.
Die unterschiedlichen Breiten der stegartigen Leiterstücke 3a, 3b und 13a, 13b gegenüber der Breite B des mittleren Leiterstückes 3c können vorteilhaft durch ein gerichtetes Belichten bzw. durch ein gerichtetes Ätzen erreicht wer den, bei dem die HTS-Schicht an der Flanke 11 verbleibt. Ein entsprechendes Verfahren ist in dem in Fig. 2 gezeig ten Schnitt angedeutet. Ein sich über die Stufe 7 des Sub strates 4 erstreckender HTS- Film 15 ist mit einem für photolithographische Verfahren üblichen Lack 16 abgedeckt. Um aus diesem Lack eine Ätzmaske für die auf dem oberen Oberflächenteil 5 des Substrates 4 befindlichen Teile 15a des HTS-Films zu strukturieren, wird der Lack mit einem Lichtstrahl belichtet, der auf den Lack vorteilhaft unter dem Winkel α der Schräge der Flanke 11 oder unter einem etwas kleineren Winkel trifft. Auf diese Weise wird ein Belichten der Flanke vermieden. Der von der so entstande nen Ätzmaske nicht abgedeckte Teil des HTS-Films wird an schließend in bekannter Weise einer Ätzbehandlung unterzo gen. Ferner kann man vorteilhaft auch den HTS-Film 15 un mittelbar im Bereich des oberen Oberflächenteils 5 struk turieren, indem man einen Ionenstrahl 17 unter dem Win kel α auf die zu ätzenden Teile 15a des Filmes richtet. Der auf der Flanke 11 befindliche Teil 15b des HTS-Films bleibt dabei quasi im Schatten des Ätzstrahles 17 und be hält somit seine volle Breite.The different widths of the web-like conductor pieces 3 a, 3 b and 13 a, 13 b compared to the width B of the middle conductor piece 3 c can advantageously be achieved by directional exposure or by directional etching, in which the HTS layer on the Edge 11 remains. A corresponding method is indicated in the section shown in FIG. 2. An over the stage 7 of the sub strate 4 extending HTS film 15 is covered with a coating 16 customary for photolithographic processes. In order to structure an etching mask for the parts 15 a of the HTS film located on the upper surface part 5 of the substrate 4 from this lacquer, the lacquer is exposed to a light beam which is advantageously applied to the lacquer at the angle α of the slope of the flank 11 or hits at a slightly smaller angle. In this way, exposure of the flank is avoided. The part of the HTS film not covered by the resulting etching mask is subsequently subjected to an etching treatment in a known manner. Furthermore, the HTS film 15 can also advantageously be structured directly in the region of the upper surface part 5 by using an ion beam 17 under the win angle α aimed at the parts to be etched 15 a of the film. The part 15 b of the HTS film located on the flank 11 remains virtually in the shadow of the etching beam 17 and thus maintains its full width.
Zur Strukturierung des HTS-Films gemäß Fig. 2 lassen sich selbstverständlich auch andere bekannte Verfahren ein setzen. Besonders geeignet ist ein Verfahren, das aus der Veröffentlichung "Appl. Phys. Lett.", Vol. 55, No. 9, 28.08.1989, Seiten 896 bis 898 oder Vol. 57, No. 23, 03.12.1990, Seiten 2504 bis 2506 zu entnehmen ist. Demge mäß wird ein das ein geordnetes Wachstum des HTS-Materials verhinderndes Hilfsmaterial an den Stellen auf dem Sub strat 4 quasi als eine Strukturierungsmaske aufgebracht, wo kein Bereich mit den geforderten supraleitenden Eigen schaften erwünscht ist. Durch Diffusionsprozesse zwischen dem vorbestimmten Hilfsmaterial und dem HTS-Material kann nämlich bei der Abscheidung des Films 15 die Entstehung einer elektrisch leitfähigen Phase und insbesondere die für gute supraleitende Eigenschaften erforderliche Kri stallorientierung in dem Film 15 unterdrückt werden. Hier für geeignete Hilfsmaterialien sind beispielsweise Si oder SiO2 oder amorphe Schichten aus anderen bekannten Materia lien. Bei diesem Verfahren wird ebenfalls vorteilhaft das Hilfsmaterial unter dem vorbestimmten Winkel α abgeschieden. To structure the HTS film according to FIG. 2, other known methods can of course also be used. A method that is particularly suitable is that from the publication "Appl. Phys. Lett.", Vol. 55, No. 9, 28.08.1989, pages 896 to 898 or vol. 57, no. 23, 03.12.1990, pages 2504 to 2506. Accordingly, the an orderly growth of the HTS material preventing auxiliary material is applied at the locations on the substrate 4 as a structuring mask, where no area with the required superconducting properties is desired. By diffusion processes between the predetermined auxiliary material and the HTS material, namely the formation of an electrically conductive phase and in particular the crystal orientation required for good superconducting properties in the film 15 can be suppressed during the deposition of the film 15 . Suitable auxiliary materials here are, for example, Si or SiO 2 or amorphous layers made of other known materials. In this method, the auxiliary material is also advantageously deposited at the predetermined angle α.
Ferner ist es gegebenenfalls auch möglich, nachträglich auf dem bereits abgeschiedenen HTS-Film 15 eine Struktu rierungsmaske aus einem entsprechenden Hilfsmaterial aus zubilden, wobei ebenfalls vorteilhaft eine Abscheidung un ter dem vorbestimmten Winkel α vorgenommen wird. Danach lassen sich die supraleitenden Eigenschaften des HTSL- Films 15 durch eine geeignete Wärmebehandlung in den vor bestimmten, von der Strukturierungsmaske abgedeckten Be reichen aufgrund von Diffusionsprozessen zwischen dem Hilfsmaterial und dem HTS-Material zerstören.Furthermore, it is also possible, if appropriate, to subsequently form a structuring mask from a corresponding auxiliary material on the already deposited HTS film 15 , wherein a deposition is also advantageously carried out under the predetermined angle α. The superconducting properties of the HTSL film 15 can then be destroyed by a suitable heat treatment in the areas in front of certain areas covered by the structuring mask due to diffusion processes between the auxiliary material and the HTS material.
Die vorstehend angedeuteten Strukturierungsverfahren unter Verwendung eines die supraleitenden Eigenschaften des HTS- Films 15 verhindernden bzw. zerstörenden Hilfsmaterials haben insbesondere den Vorteil, daß eine eventuell schädi gende Wirkung eines Abhebe- oder Wegätzprozesses von nicht-supraleitenden Film-Teilflächen zu vermeiden ist und keine seitlichen Filmränder entstehen, aus denen z. B. Sauerstoff aus dem HTS- Film ausdiffundieren könnte.The structuring methods indicated above using an auxiliary material preventing or destroying the superconducting properties of the HTS film 15 have the particular advantage that a possibly damaging effect of a lifting or etching process of non-superconducting partial film surfaces is to be avoided and no lateral film edges arise from which z. B. could diffuse oxygen from the HTS film.
Mit erfindungsgemäßen Josephsonelementen 2 lassen sich vorteilhaft elektronische Schaltungseinrichtungen, wie ins besondere SQUIDs, aufbauen. Ein entsprechendes Ausführungs beispiel zeigt nicht-maßstäblich Fig. 3 als Aufsicht. Ein allgemein mit 20 bezeichnetes Gleichstrom(DC)-SQUID, das nach bekannten Verfahren der Dünnfilm-Technik zu erstellen ist, weist eine breite, ringförmige Schleife 21 aus supra leitendem Material mit rechteckigem oder auch rundem Umriß auf. Diese Schleife ist mit einer Kontaktfläche 22, einem sogenannten "Kontaktpad", versehen und auf einer Seite durch einen schmalen Spalt oder Schlitz 23 unterbrochen. With Josephson elements 2 according to the invention, electronic circuit devices, such as SQUIDs in particular, can advantageously be constructed. A corresponding embodiment example shows not to scale Fig. 3 as a supervision. A direct current (DC) SQUID, generally designated 20 , which is to be produced according to known methods of thin-film technology, has a wide, ring-shaped loop 21 made of superconducting material with a rectangular or round outline. This loop is provided with a contact surface 22 , a so-called "contact pad", and interrupted on one side by a narrow gap or slot 23 .
Dort mündet die Schleife in zwei nach außen führende, schmale, stegartige Leiterstreifen 3 und 3′. Die axiale Länge L dieser Streifen liegt dabei im allgemeinen in der Größenordnung von wenigen µm. In dem nach außen führenden Bereich der Leiterstreifen 3 und 3′ befinden sich zwei für ein DC-SQUID charakteristische Josephsonelemente 2 und 2′. Diese Elemente sind jeweils als Korn grenzen-Josephsonelemente an nur einer Kante einer Stufe 7 ausgebildet (vgl. Fig. 1). Dementsprechend führt jeder der Leiterstreifen 3 und 3′ über eine durch eine punktier te Linie angedeutete Stufenoberkante 9, eine schräge Flan ke über eine entsprechend punktiert dargestellte Stufenun terkante 10 hinweg. Allein die an der Oberkante 9 gebilde ten Korngrenzen 24 bzw. 24′ sollen erfindungsgemäß die Jo sephsonelemente 2 und 2′ definieren. Deshalb muß die SQUID-Schleife 21 so geschlossen sein, daß die an der Un terkante 10 gebildeten Korngrenzen 25 bzw. 25′ keine Wirk samkeit haben. Hierzu ist gemäß dem für Fig. 3 gewählten Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß die abgeschrägte Flan ke zwischen der Oberkante 9 und der Unterkante 10 auf ei ner großen Breite B mit einem Leiterstück 3c abgedeckt ist. Außerdem sind parallel zu den Streifenleitern 3 und 3′ noch mindestens ein, im Ausführungsbeispiel zwei Leiterstreifen 26 und 26′ mit deutlich größerer Breite b′ als die Breite b1 der Leiterstreifen 3 und 3′ über die Stufe 7 hinwegge führt. Diese dem Streifen 13 nach Fig. 1 entsprechenden Streifen 26 und 26′ sind nicht mit den oberen Leiterstüc ken 3a bzw. 3a′ der Leiterstreifen 3 und 3′, jedoch mit dem auf der Flanke der Stufe befindlichen Leiterstück 3c und gegebenenfalls auch mit den unteren Leiterstücken 3b und 3b′ der Leiterstreifen 3 und 3′ über einen breiten Querstreifen 27 verbunden. Als Breite b2 gemäß Fig. 1 ist folglich bei diesem Ausführungsbeispiel die Summe aus den Breiten b′ und b1 für jedes der Elemente 2 und 2′ anzuse hen. Die Streifen 26 und 26′ bilden mit dem Querstreifen 27 eine etwa C-förmige, an das auf der Flanke befindliche Leiterstück 3c angeschlossene und die Stufenunterkante 10 großflächig überbrückende Leiterstruktur 30. Diese Leiter struktur kann an einer Kontaktfläche 31 mit einem An schlußleiter verbunden werden.There, the loop ends in two outwardly leading, narrow, web-like conductor strips 3 and 3 '. The axial length L of these strips is generally on the order of a few microns. In the outwardly leading area of the conductor strips 3 and 3 'there are two Josephson elements 2 and 2 ' characteristic of a DC-SQUID. These elements are each formed as grain boundary Josephson elements on only one edge of a step 7 (see. Fig. 1). Correspondingly, each of the conductor strips 3 and 3 'leads over a step edge 9 indicated by a dotted line, an oblique flan ke over a correspondingly dotted step edge 10 away. Only the grain boundaries 24 and 24 'formed at the upper edge 9' according to the invention are intended to define the Jo sephson elements 2 and 2 '. Therefore, the SQUID loop 21 must be closed so that the grain boundaries formed at the lower edge 10 25 or 25 'have no effectiveness. For this purpose, it is provided according to the embodiment selected for FIG. 3 that the beveled flan ke between the upper edge 9 and the lower edge 10 is covered on egg ner large width B with a conductor piece 3 c. In addition, parallel to the strip conductors 3 and 3 'at least one, in the exemplary embodiment two conductor strips 26 and 26 ' with a significantly greater width b 'than the width b1 of the conductor strips 3 and 3 ' leads over the step 7 . This corresponds to the strip 13 of FIG. 1 strips 26 and 26 'are not connected to the upper Leiterstüc ken 3 a and 3 a' of the conductor strips 3 and 3 ', but with the end on the flank of the level conductor portion 3 c, and optionally also with the lower conductor pieces 3 b and 3 b 'of the conductor strips 3 and 3 ' connected via a wide transverse strip 27 . The width b2 of FIG. 1 is thus in this embodiment b the sum of the widths 'and b1 for each of the elements 2 and 2' hen anzuse. The strips 26 and 26 'form with the transverse strip 27 an approximately C-shaped, connected to the conductor piece 3 c located on the flank and the step bottom edge 10 over a large area bridging conductor structure 30 . This conductor structure can be connected to a connection conductor at a contact surface 31 .
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Lei terstruktur 30 wurde davon ausgegangen, daß die Leiter streifen 3 und 3′ auf der unteren Ebene der Stufe 7 in die Leiterstruktur übergehen. Um die Ausbildung parasitärer SQUIDs zu vermeiden, können jedoch die Leiterstruktur und die Leiterstreifen in diesem Bereich auch unverbunden bleiben.In the embodiment shown in Fig. 3 of Lei terstruktur 30 it was assumed that the conductor strips 3 and 3 'at the lower level of stage 7 pass into the conductor structure. In order to avoid the formation of parasitic SQUIDs, however, the conductor structure and the conductor strips can also remain unconnected in this area.
Wie ferner aus Fig. 3 hervorgeht, ist zum Schließen der SQUID-Schleife 21 prinzipiell nur das auf der abgeschräg ten Flanke befindliche Leiterstück 3c aus einem HTS-Film erforderlich. Dieses Leiterstück ist zwischen den Kanten 9 und 10 nur wenige Mikrometer ausgedehnt, hat jedoch eine wesentlich größere Breite B von z. B. 10 bis 100 µm. Vor teilhaft erfolgt dabei der Schluß der SQUID-Schleife ohne eine Korngrenze. Praktisch kein Teil der SQUID-Schleife liegt auf einem durch Ätzen tiefgelegten Teil des Substra tes, wo die Qualität eines HTS- Films zwar nicht wesent lich, aber doch merklich schlechter ist als auf dem unge ätzten Teil. Lediglich ein für ein solches SQUID erforder licher Signal- und Bias-Kontakt muß über die Stufenunter kante 10 geführt werden. Dort ist aber die Korngrenze auf grund der großen Leiterbreite so groß ausgebildet, daß sie praktisch immer wie ein supraleitender Kurzschluß wirkt und deshalb die über sie hinweggeführten Signale nicht be einträchtigt.As can further be seen from FIG. 3, in principle only the conductor piece 3 c located on the beveled flank 3 c from an HTS film is required to close the SQUID loop 21 . This conductor piece is only a few micrometers extended between the edges 9 and 10 , but has a much larger width B of z. B. 10 to 100 microns. The SQUID loop is partially closed without a grain boundary. Virtually no part of the SQUID loop lies on a part of the substrate that has been deepened by etching, where the quality of an HTS film is not essential, but is noticeably worse than on the unetched part. Only a signal and bias contact required for such a SQUID must be guided over the bottom edge 10 . There, however, the grain boundary is so large due to the large conductor width that it practically always acts like a superconducting short circuit and therefore does not impair the signals passed over it.
Da die SQUID-Schleife 21 gemäß Fig. 3 im Bereich der ab geschrägten Flanke zwischen den Kanten 9 und 10 geschlos sen wird, kann gemäß der Aufsicht der Fig. 4 das entspre chende Leiterstück 3c auch seitlich verlängert werden und in einen wesentlich breiteren Leiterstreifen 33 übergehen, der die Stufe 7 großflächig überdeckt und mit einer Kon taktfläche 34 versehen ist.Since the SQUID loop 21 according to FIG. 3 is closed in the area of the beveled flank between the edges 9 and 10 , the corresponding conductor piece 3 c can also be extended laterally according to the supervision of FIG. 4 and into a substantially wider conductor strip 33 pass, which covers stage 7 over a large area and is provided with a contact surface 34 .
Abweichend von der in den Fig. 3 und 4 nicht maßstäb lich skizzierten Ausbildung eines DC-SQUIDs können auch SQUIDs mit nur einem Josephsonelement nach der Erfindung aufgebaut werden. Hierzu legt man einen der beiden Leiter streifen 3 oder 3′ in einer solchen Breite über die Stufe 7 hinweg, daß dort die sowohl an der Stufenoberkante 9 als auch an der Stufenunterkante 10 ausgebildeten Korngrenzen jeweils praktisch kurzgeschlossen sind.Deviating from the embodiment of a DC-SQUID not shown to scale in FIGS . 3 and 4, SQUIDs can also be constructed with only one Josephson element according to the invention. For this purpose, one of the two conductors strips 3 or 3 'in such a width across the step 7 that the grain boundaries formed both at the upper edge 9 and at the lower edge 10 are practically short-circuited.
Für die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele wurde angenommen, daß die Unterlage der Josephsonelemente ein Substrat ist, in welches durch einen Ätzprozeß eine Stufe eingearbeitet wird. Selbstverständlich kann als Unterlage auch ein ebenes Sub strat dienen, das mit einem epitaxiefähigen Film versehen wird, dessen seitliche Berandung die erforderliche Stufe bildet.For the exemplary embodiments shown in the figures it was assumed that the basis of the Josephson elements is a substrate in which a step is worked in by an etching process. Of course, a flat sub can also be used as a base serve strat, provided with an epitaxial film whose lateral edge is the required level forms.
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