DE4227163C2 - Josephson-Kontakt zwischen zwei Leiterstücken aus Hoch-T¶c¶-Supraleitermaterial und Verfahren zur Herstellung dieses Kontaktes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Josephson-Kontakt zwischen zwei auf einem Substrat befindlichen, in einem Kontaktbereich um höchstens 300 nm gegeneinander beab­ standeten Leiterstücken aus einem metalloxidischen Supra­ leitermaterial mit hoher Sprungtemperatur, wobei die Trennungszone zwischen den beiden supraleitenden Leiter­ stücken mittels eines normalleitenden Materials überbrückt ist. Ein derartiger Josephson-Kontakt ist z. B. aus "Appl. Phys.Lett.", Vol. 58, No. 22, 3.6.1991, Seiten 2552 bis 2554 zu entnehmen. Die Erfindung betrifft ferner ein Ver­ fahren zur Herstellung entsprechender Josephson-Kontakte.

Supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprung­ temperaturen T_c von vorzugsweise über 77 K, die deshalb mit flüssigem Stickstoff bei Normaldruck gekühlt werden können, sind allgemein bekannt. Diese Verbindungen werden auch als Hoch-T_c- oder Hochtemperatursupraleiter-Mate­ rialien (Abkürzung: HTSL-Materialien) bezeichnet. Ent­ sprechende Metalloxidverbindungen, bei denen es sich ins­ besondere um Cuprate handelt, basieren beispielsweise auf einem Vier-Stoff-System des Typs Me1-Me2-Cu-O, wobei die Komponenten Me1 ein Seltenes Erdmetall oder Yttrium und Me2 ein Erdalkalimetall zumindest enthalten. Hauptvertre­ ter dieser Gruppe ist das vierkomponentige Stoffsystem Y-Ba-Cu-O (Abkürzung: YBCO). Daneben weisen auch Phasen von fünf- oder höherkomponentigen, seltenerdfreien Cu­ praten wie z. B. des Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-O (Abkürzung: BSCCO) oder Tl-Ba-Ca-Cu-O (Abkürzung: TBCCO) Sprungtempe­ raturen T_c von deutlich über 77 K auf.

Es ist gelungen, mittels spezieller PVD- oder CVD-Prozesse dünne Schichten aus diesen HTSL-Materialien herzustellen, die eine hohe kritische Stromdichte (Stromtragfähigkeit) gewährleisten. Man ist deshalb auch bestrebt, mit Leiter­ bahnen aus solchen Schichten Josephson-Kontaktelemente auszubilden, wie sie generell von den konventionellen, metallischen Supraleitermaterialien, die mit flüssigem Helium gekühlt werden müssen, bekannt sind. Hierbei tritt jedoch im Gegensatz zu den konventionellen, metallischen Supraleitermaterialien die Problematik auf, daß die be­ kannten metalloxidischen HTSL-Materialien nur eine kurze Kohärenzlänge und eine starke Anisotropie aufweisen.

Die kurze Kohärenzlänge führt dazu, daß auch kleine Stö­ rungen im HTSL-Material, wie z. B. Gitterstörungen oder Sauerstoffehlstellen, starke lokale Störungen der Supra­ leitung verursachen. Daher lassen sich Josephson-Kontakte, deren Längendimension im Kontaktbereich von der Größenord­ nung der Kohärenzlänge sind, prinzipiell durch Gefügestö­ rungen herstellen. Eine derartige Gefügestörung kann z. B. durch eine ausscheidungsfreie Korngrenze gebildet sein (vgl. z. B. EP 0 364 101 A2). Jedoch sind die Eigenschaften entsprechender Korngrenzen wegen der Abhängigkeit der Supraleitung von der punktuellen Störung nur schwer re­ produzierbar einzustellen.

Künstliche Korngrenzen hat man auch an Stufen oder Kanten ausgebildet (vgl. z. B. "Appl.Phys.Lett" Vol. 59, No. 6, 5.8.1991, Seiten 733 bis 735). Es zeigt sich jedoch, daß definierte Stufenkanten nur schwer herzustel­ len sind und Ätzreste an dem unteren Stufenrand zu Störun­ gen führen können.

Man hat auch versucht, Josephson-Kontakte dadurch auszu­ bilden, daß man eine schmale Beabstandungszone zwischen zwei HTSL-Leiterstücken mittels eines normalleitenden Ma­ terials überbrückt, so daß ein Josephson-Kontakt entspre­ chend dem von den konventionellen, metallischen Supralei­ termaterialien her bekannten Typ "Supraleiter-Normallei­ ter-Supraleiter (SNS)" entsteht. Hierbei darf der Abstand der beiden HTSL-Leiterstücke, d. h. die kürzeste Strecke des im normalleitenden Material zwischen den HTSL-Leiter­ stücken verlaufenden Strompfades, höchstens 300 nm, vor­ zugsweise weniger als 100 nm betragen, damit aufgrund des sogenannten Proximity-Effektes der Ordnungsparameter im Normalleiter nicht Null wird. Je kleiner der Abstand zwi­ schen den HTSL-Leiterstücken ist, desto besser ist auch die Phasenkohärenz. Außerdem sollte der Normalleiter in gutem elektrischen Kontakt mit dem HTSL-Material stehen, d. h. insbesondere nicht durch eine Oxidschicht vom HTSL-Material getrennt sein.

Kleine Abstände zwischen den HTSL-Schichten können bei dem Josephson-Kontakt, der in der eingangs genannten Veröffent­ lichung aus "Appl.Phys.Lett.", Vol. 58 beschrieben ist, nur schwer erhalten werden. Dieser Kontakt wird nämlich dadurch hergestellt, daß bei einem schrägen Aufdampfen des HTSL-Materials über eine Kante eines gestuften LaAlO₃- Substrates durch einen Schattenwurf im Bereich der Stufe des Substrates eine Unterbrechung in einer HTSL-Leiterbahn erhalten wird. Die so vorhandene Trennungszone zwischen zwei HTSL-Leiterstücken wird nachträglich mittels Auf­ dampfens einer Schicht aus einem normalleitenden Material wie z. B. Ag großflächig überbrückt. Es zeigt sich jedoch, daß bei einem derartigen Aufbau eines Josephson-Kontaktes nur schwer reproduzierbare supraleitende Werte des Kontak­ tes einzustellen und die Übergangswiderstände zwischen dem supraleitenden und dem normalleitenden Material nur schwer zu steuern sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den Josephson-Kontakt mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszubilden, daß diese beim genannten Stand der Technik auftretenden Schwierigkeiten, insbesondere hinsichtlich einer Reproduzierbarkeit der supraleitenden Eigenschaften, zumindest verringert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trennungszone durch einen Riß in einer damit die beiden Leiterstücke ergebenden Leiterbahn aus dem Supraleitermaterial ausgebildet ist, wobei die Lei­ terbahn mit einer die Rißbildung fördernden Struktur ver­ sehen und auf einem Substrat angeordnet ist, welches einen linearen Dehnungskoeffizienten aufweist, der um min­ destens 30% kleiner ist als der entsprechende Dehnungs­ koeffizient der Leiterbahn.

Eine Rißbildung in spröden Filmen auf elastischen Substra­ ten ist an sich bekannt (vgl. "Journ. Amer. Ceram. Soc.", Vol. 73, No. 7, 1990, Seiten 2144 bis 2146).

Die Erfindung geht nun von der Überlegung aus, daß durch eine geeignete Materialwahl für das die HTSL-Leiterbahn tragende Substrat sowie einer Strukturierung der Leiter­ bahn oder des Substrates erreicht wird, daß in der Leiter­ bahn aufgrund von unterschiedlichen Dehnungskoeffizienten von HTSL-Material und Material des Substrats an einer mit Hilfe der Strukturierung zu bestimmenden Stelle gezielt ein Riß auszubilden ist, der den geometrischen Anforde­ rungen an einen Kontaktbereich eines SNS-Josephson-Kon­ taktes bzw. dessen Trennungszone zwischen den HTSL-Lei­ terstücken genügt. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestal­ tung des Josephson-Kontaktes wird von der Beobachtung aus­ gegangen, daß nach einem epitaktischen oder zumindest stark texturierten Aufwachsen einer dünnen HTSL-Schicht auf einem Substrat mit einem vergleichsweise deutlich ge­ ringeren Dehnungskoeffizienten in der HTSL-Schicht ein quasi orthogonales Rißmuster ohne Auszeichnung einer be­ sonderen Richtung in einer bestimmten Kristallachsenrich­ tung entsteht. Es wurde nun erkannt, daß sich diese Riß­ bildung in einer der beiden orthogonalen Richtungen zu­ mindest weitgehend unterdrücken läßt, wenn man in der an­ deren, dazu senkrechten Richtung eine Dimensionierung der HTSL-Schicht vorsieht, die kleiner als eine sogenannte "kritische Breite" ist, d. h., daß diese Breite also "un­ terkritisch" ist. Die kritische Breite läßt sich dabei ohne weiteres experimentell ermitteln und liegt im all­ gemeinen, z. B. für YBCO-Filme auf Si-Substraten, in der Größenordnung unter 100 µm. Bei einer entsprechenden Di­ mensionierung ergäbe sich also für eine streifenartige Struktur der HTSL-Schicht mit überkritischer Länge (in Stromführungsrichtung) und unterkritischer Breite (senk­ recht zur Stromführungsrichtung) ein Rißmuster, das zu­ mindest weitgehend nur quer zur Streifenausdehnungsrich­ tung verlaufende Risse enthält. Gemäß der Erfindung ist nun vorgesehen, unter Beachtung dieser Dimensionierungs­ bedingung gezielt einen dieser Risse zur Ausbildung eines Josephson-Kontaktes heranzuziehen. Dabei wird nur in dem Bereich des auszubildenden Josephson-Kontaktes die "kri­ tische Breite" einer entsprechenden HTSL-Leiterbahn un­ terschritten. Dies läßt sich entweder durch eine entspre­ chende Strukturierung der HTSL-Leiterbahn oder durch eine Strukturierung des Substrates (und damit auch der auf ihm abgeschiedenen Leiterbahn) erreichen. Es wurde festge­ stellt, daß sich die Geometrie eines entsprechenden Risses gut reproduzierbar einstellen läßt. Die mit der erfin­ dungsgemäßen Ausgestaltung des Josephson-Kontaktes ver­ bundenen Vorteile sind somit darin zu sehen, daß die elek­ trischen Eigenschaften des Josephson-Kontaktes entspre­ chend gut reproduzierbar sind. Mit solchen Josephson-Kon­ takten können also supraleitende Einrichtungen wie z. B. Josephson-Kontaktelemente oder SQUIDs mit definierten elektrischen Eigenschaften aufgebaut werden. Hierbei be­ steht grundsätzlich auch die Möglichkeit, auf einer Unter­ lage beliebig viele derartiger Josephson-Kontakte an vor­ gebbaren Stellen auszubilden.

Ein entsprechender Josephson-Kontakt kann vorteilhaft dadurch hergestellt werden, daß zunächst auf dem Substrat bei erhöhter Temperatur die Leiterbahn mit der die kon­ trollierte Rißbildung fördernden Struktur ausgebildet wird, daß dann eine Abkühlung von Substrat und Leiterbahn vorgenommen wird und die Rißbildung erfolgt und daß an­ schließend das normalleitende Material unter zumindest teilweiser Auffüllung des Risses abgeschieden wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Jo­ sephson-Kontaktes sowie des Verfahrens zu seiner Herstel­ lung gehen aus den jeweils abhängigen Unteransprüchen hervor.

Zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnungen Bezug genommen, in deren Fig. 1 schema­ tisch ein Josephson-Kontaktelement mit einem Josephson- Kontakt nach der Erfindung veranschaulicht ist. In Fig. 2 sind Verfahrensschritte zur Herstellung eines solchen Kon­ taktes angedeutet. Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Ausbildungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Josephson- Kontaktes. Dabei wird bei den Fig. 1 und 2 von einer. Strukturierung eines Substrates ausgegangen, während für die Fig. 3 lediglich eine Struktur einer HTSL zugrundege­ legt ist.

Das in Fig. 1 als ein Längsschnitt veranschaulichte, all­ gemein mit 2 bezeichnete Josephson-Kontaktelement weist einen Dünnfilmaufbau aus einem bekannten metalloxidischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur T_c von ins­ besondere über 77 K auf. Die Zusammensetzung entsprechen­ der HTSL-Materialien basiert auf einem metallische Kompo­ nenten und Sauerstoff enthaltenden Stoffsystem. Als Aus­ führungsbeispiel sei aus dem speziellen Stoffsystem Y-Ba-Cu-O das HTSL-Material YBa₂Cu₃O_7-x (mit 0,5 < × < 1) ausgewählt.

Zur Ausbildung des Josephson-Kontaktelementes 2 dient eine dünne, allgemein mit 3 bezeichnete Leiterbahn aus dem aus­ gewählten HTSL-Material YBCO. Für diese Leiterbahn 3 ist das Material epitaktisch auf einer in beson­ derer Weise strukturierten Unterlage 4 mittels bekannter Verfahren abgeschieden und soll eine hohe kritische Strom­ tragfähigkeit (Stromdichte) in der Größenordnung von min­ destens 10⁴ A/cm² in der Nähe der Sprungtemperatur T_c ge­ währleisten. Das Material ist deshalb so texturiert, daß seine für die Stromtragfähigkeit verantwortlichen Cu-O- Kristallebenen als kristalline a-b-Ebenen in den Berei­ chen höherer Stromtragfähigkeit zumindest annähernd pa­ rallel zum jeweiligen Oberflächenteil der Unterlage 4 liegen. Einige dieser stromführenden Kristallebenen sind in der Figur durch dünne Linien 5 nicht maßstabgerecht veranschaulicht. Die Dicke d1 der Leiterbahn 3 im Bereich des auszubildenden Josephson-Kontaktes liegt in der Größenordnung zwischen 10 nm und 1000 nm, vorzugsweise zwischen 50 nm und 200 nm. Sie ist von dem thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten α1 des gewählten Materials abhängig und wird vorteilhaft so gewählt, daß hinreichend lange Zeit nach der Ausbildung der YBCO- Schicht verbleibt, um die Schicht zu strukturieren und den Aufbau in ein anderes Beschichtungsgerät zu verbrin­ gen, bevor spontan Risse in der Schicht entstehen.

Die Unterlage 4 kann insbesondere durch ein Substrat ge­ bildet sein, auf dem das HTSL-Material nach bekannten Ver­ fahren epitaktisch aufwachsen kann. Entsprechende Sub­ stratmaterialien, deren jeweilige kristalline Einheits­ zelle vorteilhaft an die entsprechenden Abmessungen der Einheitszelle des verwendeten HTSL-Materials angepaßte Maße hat, sind an sich bekannt. Für einen erfindungsge­ mäßen Josephson-Kontakt sind jedoch nur solche Substrat­ materialien geeignet, deren thermischer (Längen-)Ausdeh­ nungskoeffizient α2 bei Raumtemperatur um mindestens 30%, insbesondere 50%, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 3, kleiner als der entsprechende Ausdehnungs­ koeffizient α1 des HTSL-Materials ist. Aus diesem Grunde kommt insbesondere als Unterlage bzw. Substrat Si in Fra­ ge, das zudem noch dotiert oder als eine Si-Verbindung vorliegen kann. Dieses Material ist im allgemeinen noch mit einer diffusionshemmenden Zwischenschicht, einer so­ genannten "Buffer layer", abgedeckt. Für diese Zwischen­ schicht kann vorteilhaft Y-stabilisiertes ZrO₂ (Abkürzung: YSZ) vorgesehen werden. Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau der Unterlage 4 setzt sich somit aus dem eigentlichen Si-Substrat 7, dessen Dicke d2 im allgemeinen über 100 µm liegt und der darauf abgeschiedenen Zwischenschicht 8 zusammen, deren Dicke d3 wesentlich geringer ist und im allgemeinen zwischen 10 und 100 nm liegt. Die Dicke d3 sollte dabei im allgemeinen geringer sein als die Dicke d1 des auf ihr abgeschiedenen HTSL-Materials der Leiterbahn 3. Das YSZ hat dabei einen thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten α3, der nur unwesentlich verschieden von dem Koeffizienten α1 von YBCO ist: α3 ≈ 11,4 × 10^-6 K^-1 (bzw. α1 ≈ 13 × 10^-6 K^-1. Demgegenüber liegt α2 von Si bei ungefähr 3,8 × 10^-6 K^-1 (Werte jeweils bei Raumtempera­ tur; vgl. z. B. "Appl. Phys. Lett.", Vol. 57, No. 11, 10.9.1990, Seiten 1161 bis 1163).

Um eine erfindungsgemäße Rißbildung in der HTSL-Leiterbahn 3 zu gewährleisten, ist das Substrat 7 mit einer inselför­ migen bzw. stegartigen Erhebung versehen, deren obere Flachseite 10 in einer Ebene E2 liegt. Die Höhe h dieser Erhebung gegenüber der Ebene E1 der daran angrenzenden Substratoberfläche 11 liegt im allgemeinen zwischen 0,1 und 1 um. Die in dem Substrat 7 durch Ätztechniken ausgebildete Erhebung weist an ihren längsseitigen Rändern schräg verlaufende Flanken 12a und 12b auf. Dabei soll der Übergang zwischen den Ebenen E1 und E2 einerseits und den Ebenen der Flanken 12a und 12b andererseits so allmählich verlaufen, daß an den Übergängen die Ausbildung von Korngrenzen in dem HTSL-Material vermieden wird. Des­ halb schließt die Normale Nl auf der Ebene E1 (oder E2) mit der Normalen N2 auf der Flanke 12b (oder 12a) nur einen kleinen Neigungswinkel γ ein, der im Ausführungsbeispiel unter 30°, vorzugsweise unter 20° liegt.

In der sich über die mit der Zwischenschicht 8 abgedeckten Erhebung 7a erstreckenden Leiterbahn 3 ist erfindungsgemäß im Bereich der oberen Erhebungsflachseite 10 gezielt ein senkrecht verlaufender Riß 15 ausgebildet. Dieser Riß er­ streckt sich senkrecht zumindest durch die gesamte Leiter­ bahn 3 und gegebenenfalls auch durch die darunterliegende Zwischenschicht 8 und unterteilt somit die Leiterbahn 3 in zwei Leiterstücke 3a und 3b. Der Riß 15 hat dabei eine longitudinale, d. h. in Hauptausdehnungsrichtung der Lei­ terbahn 3 und damit in Stromführungsrichtung weisende Aus­ dehnung bzw. Weite w, die von oben nach unten abnimmt. Zu­ mindest der Bereich der durch den Riß 15 gebildeten Tren­ nungszone zwischen den HTSL-Leiterstücken 3a und 3b ist mit einem normalleitenden Material wie Au oder Ag oder Cu oder einer Legierung mit mindestens einem dieser Elemente so abgedeckt, daß zumindest ein Teil des Risses mit diesem normalleitenden Material ausgefüllt wird. Dabei läßt sich gewährleisten, daß zwischen den HTSL-Leiterstücken 3a und 3b ein normalleitender Kontakt­ bereich mit in dem normalleitenden Material verlaufenden Strompfaden entsteht, deren Länge bzw. kürzeste Ent­ fernung zwischen den benachbarten Leiterstücken 3a und 3b die Bedingung des Proximity-Effektes in dem normalleiten­ den Material einhält. In Ag kann der Proximity-Effekt für Längen unter 300 nm, vorzugsweise unter 100 nm gegeben sein. Es wurde festgestellt, daß die spontan entstehenden Risse 15 wegen der Aktivierungsenergie im allgemeinen eine maximale Rißweite w aufweisen, die die genannte Längenbe­ dingung erfüllen. Auf diese Weise ergibt sich dann ein Josephson-Kontakt JK zwischen den Leiterstücken 3a und 3b. Bei dem sich von oben nach unten verjüngenden Querschnitt des Risses 15 spielt es darüber hinaus keine Rolle, wenn bei einem verhältnismäßig weiten Riß und dessen vollstän­ diger Ausfüllung mit dem normalleitenden Material auch Strompfade mit über 100 nm Länge entstehen. Es muß jedoch auf alle Fälle ein Strompfad existieren, dessen Länge höchstens 100 nm beträgt oder insbesondere darunter liegt. Eine entsprechende Schicht aus dem normalleitenden Mate­ rial ist in der Figur mit 16 bezeichnet und hat eine Dicke D von über 100 nm. Diese Schicht kann direkt auf dem Aufbau mit den durch den Riß 15 beabstandeten HTSL-Leiter­ stücken 3a und 3b aufgebracht sein. Gemäß dem dargestell­ ten Ausführungsbeispiel ist es jedoch gegebenenfalls auch möglich, die HTSL-Leiterbahn vor der Rißausbildung mit einer dünnen isolierenden Schicht 17 aus ZrO₂ oder Y₂O₃ zu überziehen. Die Dicke d4 dieser Schicht liegt im allgemeinen deutlich unter 50 nm. Mit einer solchen Schicht läßt sich gewährleisten, daß das normalleitende Material nur im Bereich des Risses 15 mit dem Supralei­ termaterial in Kontakt kommt. Die Schicht 17 ist aber im Hinblick auf die gewünschte Ausbildung des Josephson-Kon­ taktes JK nicht unbedingt erforderlich.

Wie ferner in Fig. 1 angedeutet ist, kann vorteilhaft die die Leiterbahn 3 und damit die Leiterstücke 3a und 3b bil­ dende HTSL-Schicht außerhalb des Bereichs der stegartigen Substraterhebung eine geringere Schichtdicke d1′ von insbesondere unter 100 nm, vorzugsweise unter 50 nm haben. Auf diese Weise wird im Bereich der gedünnten HTSL-Schicht eine hinreichende Elastizität des HTSL-Materials und damit eine entsprechende Unterdrückung von unerwünschter Rißbil­ dung erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten Josephson-Kontaktelementes 2 mit einem Kontakt JK sei nachfolgend anhand der aus Fig. 2 ersichtlichen Aufsicht skizziert. Die stegartige Erhebung des Si-Substrates 7 wird nach bekannten Strukturie­ rungsverfahren der Mikromechanik unter Verwendung einer den Bereich der Erhebung abdeckenden Maske m1 ausgebildet. Die Maske m1 weist dabei im Bereich des auszubildenden Risses eine taillenhafte Einschnürung 20 auf. Die vorbe­ stimmte Querausdehnung q der Maskeneinschnürung 20 und damit der entsprechenden Verengung der Substraterhebung sollte im allgemeinen unter 50 µm liegen bei einer Breite B der Erhebung von mindestens 100 µm. Vorteilhaft liegt q zwischen 5 und 10 µm. Die konkrete Dimensionierung der Maskeneinschnürung sollte dabei so erfolgen, daß alle eventuell in Serie zu dem Josephson-Kontakt JK entstehen­ den Risse wesentlich langer ausfallen als der Riß 15, so daß dann die kritischen Ströme der in Serie liegenden, mit normalleitendem Material belegten Risse alle wesentlich größer sind als der kritische Strom des gewünschten Jo­ sephson-Kontaktes JK.

Nach Ausbildung der Erhebung- und Entfernen der Maske m1 wird die Si-Oberfläche mit dem YSZ der Zwischenschicht 8 zumindest in einem Bereich beschichtet, in dem supralei­ tende Eigenschaften des anschließend abzuscheidenden YBCO- Material gefordert werden. Zur Abscheidung des YBCO-Mate­ rials mit der vorbestimmten Dicke werden bekannte Verfah­ ren bei erhöhten Abscheidetemperaturen angewandt, die ein texturiertes, insbesondere einkristallines Kristallwachs­ tum mit c-Achsenorientierung senkrecht zur Oberfläche gewährleisten. Daraufhin wird die YBCO-Schicht etwa zur Ausbildung des gesamten Josephson-Kontaktelementes oder einer ganzen SQUID-Schaltung strukturiert. Eine hierfür vorgesehene Maske m2, die nur die nicht-supraleitenden Bereiche zugänglich macht, ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Selbstverständlich können auch andere Strukturierungsmaßnahmen für die YBCO-Schicht ergriffen werden. So läßt sich z. B. in dem Bereich, wo keine Supra­ leitung erwünscht ist, vor der Abscheidung des YBCO die YSZ-Zwischenschicht 8 entfernen. Das dort auf dem Si direkt abgeschiedene YBCO ist dann nicht-supraleitend. Vorteilhaft kann die strukturierte YBCO-Schicht außerhalb der Erhebung z. B. mit Ionenätzen noch so gedünnt wer­ den, daß die gedünnten Bereiche zu dünn sind, um reißen zu können. Der Umriß einer entsprechenden, die dickeren Be­ reiche der YBCO-Schicht abdeckenden Maske m3 ist in Fig. 2 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet. Die Dicke d1′ liegt im allgemeinen unter 50 nm, vorzugsweise unter 20 nm (vgl. auch Fig. 1). Die so strukturierte YBCO- Schicht, die im Bereich der Erhebung die über diese Erhe­ bung verlaufende, streifenförmige Leiterbahn 3 mit einer Leiterbahnbreite b von insbesondere über 100 µm bildet, kann danach noch gegebenenfalls mit der Isolierschicht 17 abgedeckt werden. Anschließend wird dieser Aufbau in eine Beschichtungseinrichtung für das normalleitende Metall der Schicht 16 eingebracht.

Entweder wird nun abgewartet, bis bei der Abkühlung von allein an der taillenhaften Einschnürung 20 der Riß 15 in dem YBCO-Material entsteht; oder man unterstützt die Riß­ bildung mittels Ultraschall oder mittels einer ther­ mischen Wechselbehandlung. Nach der Rißbildung wird das normalleitende Metall derart aufgebracht, daß insbesondere innerhalb des Rißspaltes eine gleichmäßige Wandbedeckung gewährleistet ist. Hierzu kommt beispielsweise ein Hoch­ druckprozeß oder ein CVD-Prozeß in Frage. Vorteilhaft wird noch eine thermische Nachbehandlung zur Einstellung eines guten Kontaktes im Rißbereich zwischen dem YBCO-Material und dem normalleitenden Metall vorgesehen.

Die normalleitende Schicht 16 wird schließlich noch so strukturiert, daß sie die YBCO-Brückenstruktur im Bereich der Erhebung seitlich nur wenig überlappt. Eine hierfür verwendbare Maske m4 ist durch eine punktierte Linie ange­ deutet.

Eine anhand der Fig. 1 und 2 veranschaulichte Struk­ turierung des Substrates 7 zu einer gezielten Rißbildung in einem gewünschten Josephson-Kontaktbereich ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Gemäß einer besonders vor­ teilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Jo­ sephson-Kontaktes reicht es namlich aus, wenn man ledig­ lich die Leiterbahn 3 aus dem HTSL-Material gemäß der ge­ nannten Dimensionierungsbedingung strukturiert. Als ein entsprechendes Ausführungsbeispiel sind in Fig. 3, für die eine Fig. 2 entsprechende Darstellung gewählt ist, einige Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Josephson-Kontaktes angedeutet. Dementsprechend wird auf einem mit einer Zwischenschicht aus YSZ überzo­ genen, insbesondere ebenen Substrat 7′ aus Si zunächst eine YBCO-Schicht nach bekannten Verfahren bei erhöhter Temperatur abgeschieden. Diese Schicht wird mittels einer Maske m1 so strukturiert, daß eine Leiterbahn 3′ mit einer sich im Bereich des auszubildenden Josephson-Kontaktes auf eine vorbestimmte Querausdehnung q vermindernden Leiter­ bahnbreite b entsteht. Die Größe q soll dabei für die ge­ wählten Materialien insbesondere unter 50 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 10 µm liegen, während die Leiterbahnbreite b außerhalb dieses Bereiches wesentlich größer ist und insbesondere mehr als 100 µm beträgt. Während und/oder insbesondere nach dem Abkühlen und Strukturieren der YBCO- Schicht bildet sich in der strukturierten Leiterbahn 3′ spontan ein Rißmuster aus, dessen Risse in der Figur durch gestrichelte und mit 15 bzw. 15a bis 15f bezeichnete Linien angedeutet sind. Da in der Leiterbahn 31 lediglich an der einzigen Stelle mit der Querausdehnung q die kri­ tische Breite von 50 µm unterschritten wird, kann der dort ausgebildete Riß 15 zur Ausbildung des gewünschten Jo­ sephson-Kontaktes dienen. An allen übrigen quer zur Strom­ führungsrichtung verlaufenden Rissen (15b, 15f) ist die Rißbreite überkritisch, so daß dort der kritische Strom im Supraleitermaterial nicht überschritten wird und sich somit auch kein Josephson-Kontakt gemäß der Erfindung er­ geben kann. In der Figur ist ferner noch die Maske m4 zur Strukturierung der normalleitenden Ag-Schicht durch eine punktierte Linie angedeutet. Die aus Fig. 3 ersichtliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Josephson-Kontak­ tes zeichnet sich durch eine besonders einfache Herstell­ barkeit aus.

Claims (12)

1. Josephson-Kontakt zwischen zwei auf einem Substrat befindlichen, in einem Kontaktbereich um höchstens 300 nm gegeneinander beabstandeten Leiterstücken aus einem metall­ oxidischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur, wobei die Trennungszone zwischen den beiden supraleitenden Leiterstücken mittels eines normalleitenden Materials überbrückt ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Trennungszone durch einen Riß (15) in einer damit die beiden Leiterstücke (3a, 3b) ergebenden Leiterbahn (3, 3′) aus dem Supraleiter­ material ausgebildet ist, wobei die Leiterbahn (3, 3′) mit einer die Rißbildung fördernden Struktur versehen und auf einem Substrat (7, 7′) angeordnet ist, welches einen linearen Dehnungskoeffizienten (α2) aufweist, der um mindestens 30% kleiner ist als der entsprechende Deh­ nungskoeffizient (α1) der Leiterbahn (3, 3′).

2. Josephson-Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leiterbahn (3, 3′) eine Ver­ minderung der Leiterbahnbreite (b) auf eine Querausdeh­ nung (q) vorgesehen ist, die unterhalb eines die Rißbildung gewährleistenden Wertes liegt.

3. Josephson-Kontakt nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnbreite (b) auf einen Wert (q) unter 50 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 10 µm vermindert ist.

4. Josephson-Kontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (3′) mit der die Rißbildung fördernden Struktur auf einem ebenen Substrat (7′) angeordnet ist.

5. Josephson-Kontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leiter­ bahn (3) das Substrat (7) zu einer stegartigen Erhebung strukturiert ist und diese Erhebung im Bereich des Risses (15) eine taillenhafte Einschnürung (20) aufweist.

6. Josephson-Kontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (7, 7′) aus einem Material besteht, dessen Deh­ nungskoeffizient (α2) um mindestens einen Faktor 2, vor­ zugsweise um mindestens einen Faktor 3 kleiner als der Dehnungskoeffizient (α1) des Supraleitermaterials ist.

7. Josephson-Kontakt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (7, 7′) aus Silizium oder einer Silizium-Verbindung besteht und mit einer diffusionshemmenden Zwischenschicht (8) versehen ist.

8. Josephson-Kontakt nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (8) zumindest mit Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid ent­ hält.

9. Josephson-Kontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als normalleitendes Material Silber oder Gold oder Kupfer oder eine Legierung mit mindestens einem dieser Elemente vor­ gesehen ist.

10. Josephson-Kontakt nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß außer­ halb des Risses (15) das normal leitende Material von dem Supraleitermaterial durch eine dünne isolierende Schicht (17) getrennt ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Kontaktes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• a) zunächst auf dem Substrat (7, 7′) bei erhöhter Tempe­ ratur die Leiterbahn (3, 3′) mit der die kontrollierte Rißbildung fördernden Struktur ausgebildet wird,
• b) dann eine Abkühlung von Substrat (7, 7′) und Leiterbahn (3, 3′) vorgenommen wird und die Rißbildung erfolgt und
• c) anschließend das normalleitende Material unter zu­ mindest teilweiser Auffüllung des Risses (15) abge­ schieden wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nach der Abscheidung des normalleitenden Materials eine thermische Nachbehandlung vorgenommen wird.