DE4302769C2 - Verfahren zur Herstellung von Josephson- und Tunnelkontakten aus Hochtemperatur-Supraleitern - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Josephson- und Tunnelkontakten aus Hochtemperatur-SupraleiternInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Josephson- und
Tunnelkontakten aus Hochtemperatur-Supraleitern, welche eine
Grundelektrode aus einem Hochtemperatur-Supraleitermaterial und eine
Isolatorschicht, die teilweise übereinander auf einem Substrat
angeordnet sind und rampenförmig enden, eine die Rampe bedeckende
Barriereschicht und eine Deckelektrode aus einem Hochtemperatur-
Supraleitermaterial aufweisen.
Eine solcher Schichtenaufbau ist aus der Zeitschrift "PHYSICAL REVIEW
LETTERS", Vol. 67. 1991, S. 3038-3041 (E. Polturak, et. al.) bekannt.
In dieser Veröffentlichung wird die Schichtenfolge Supraleiter-
Normalleiter-Supraleiter mittels einer Schattenmaske aus Edelstahl
hergestellt, welche nach jeder Schichtabscheidung durch einen externen
Manipulator verschoben wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß
durch die Kontaktmaske eine Verunreinigung der Schichten durch
Eisenatome erfolgt. Außerdem verzieht sich die Metallmaske und führt zu
schlecht reproduzierbaren Ergebnissen. Aus Physica C, Bd. 171, 1990,
S. 126-130, ist ein Verfahren mit Argonstrahl-Ätzen bekannt. Die
Stellen für den Ätzangriff wurden in einem Photolithographieprozeß
erzeugt. Durch den Argonstrahl wird jedoch die Grundelektrode stark
geschädigt.
In der DE 38 22 904 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines
Josephson-Elements aus Hochtemperatur-Supraleitern beschrieben, welches
ein Substrat aufweist, dessen Textur an die Kristallstrukturabmessungen
der Elektrodenschichten angepaßt ist, sowie Elektrodenschichten, welche
mittels einer Schicht aus isolierendem Material beabstandet sind, wobei
eine Stufe vorbestimmter Stufenhöhe mit Stufenkanten und einer
dazwischen verlaufenden Verbindungsfläche ausgebildet ist.
Die Elektrodenschichten besitzen einen Bereich schwacher Kopplung längs
der Verbindungsfläche zwischen den Stufenkanten.
Das Josephson-Element wird hergestellt, indem in einem
Lithographieprozeß über dem Substrat eine Schattenmaske mit einer der
auszubildenden Stufe und dem zu erzeugenden Josephson-Element angepaßten
Lochstruktur, welche eine freitragende Filmbrücke enthält, gebildet
wird. Die Elektrodenschichten sowie die Schicht aus isolierendem
Material des Josephson-Elements werden durch schräges Aufdampfen mit
unterschiedlichem Aufdampfwinkel und bei ununterbrochenen
Unterdruckverhältnissen abgeschieden. Die aus SiO bestehende
Schattenmaske ist jedoch bei den zur Herstellung von Josephson-Kontakten
aus Hochtemperatur-Supraleitern erforderlichen hohen Temperaturen nicht
fformbeständig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Josephson- oder einen
Tunnelkontakt herzustellen, wobei die Grenzfläche der hochtemperatur
supraleitenden Grundelektrode nicht geschädigt werden soll.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der
Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt
Fig. 1 die zu erzeugende Struktur;
Fig. 2 die Erzeugung der Grundelektrode;
Fig. 3 die Herstellung der Isolierschicht;
Fig. 4 die Herstellung der Barriereschicht;
Fig. 5 die Herstellung der Deckelektrode;
Fig. 6 das Ergebnis einer Messung bei T = 77 K an der fertiggestellten
Schichtenfolge und
Fig. 7 die Messungen an Schichtenfolgen ohne Barrierenschicht.
Um gute Josephson- oder Tunnelkontakte aus Hochtemperatur-Supraleitern
(HTSL) zu erhalten, ist es wichtig, daß bei der Präparation die
Grenzfläche der HTSL-Grundelektrode nicht geschädigt wird. Mit Hilfe der
hier beschriebenen Schattenmaskentechnik wird das Ätzen der
Grundelektrode vermieden, da es zu einer Schädigung der Randschicht
führen kann. Als Material für die Schattenmaske wurde SrTiO3 gewählt, da
es bei den hohen Präparationstemperaturen der Hochtemperatur-Supraleiter
(700°C bis 900°C) stabil ist. Das bedeutet, daß keine Atome aus diesem
Material herausdiffundieren, wobei Strontium und Titan die
supraleitenden Eigenschaften der Hochtemperatur-Supraleiter nicht
nennenswert verschlechtern würden. Außerdem verformt sich die
Schattenmaske selbst bei hohen Temperaturen nicht wesentlich.
Die Fig. 2 bis 5 beschreiben den Herstellungsprozeß. Zunächst wird in
einem besonderen Schritt eine Schattenmaske 6 hergestellt. Durch eine
Metallmaske hindurch werden etwa 1 µm hohe Füße 10 aus SrTiO3
abgeschieden. Dadurch "schwebt" die Maske, so daß es zu keinem direkten
Kontakt zwischen Maske und aufgebrachter Schicht kommt. Andererseits
befindet sich die Maske so dicht über dem Substrat 1, daß man eine
Anstiegslänge der Kante der damit hergestellten Elektroden erhält,
welche man durch den Auftreffwinkel der Ionen oder Moleküle und den
Druck steuern kann. Fig. 2 zeigt die Herstellung einer Grundelektrode 2.
Auf dem Substrat 1 aus SrTiO3, das auf einem zu einer Drehachse 8 um α
= 55° geneigten Substrathalter 9 befestigt ist, wird zunächst die
Schattenmaske 6 befestigt. Durch Laserablation oder Verdampfen wird ein
zur Drehachse 8 paralleler Molekularstrahl 7 aus HTSL-Substanz auf das
Substrat gerichtet.
Da die Schattenmaske 6 das Substrat 1 nur zur Hälfte bedeckt, entsteht
auf der anderen Hälfte eine im wesentlichen gleichmäßige Schicht des
Hochtemperatur-Supraleiters, im Ausführungsbeispiel aus YBa2Cu3O7. Da die
Schattenmaske vom Substrat einen Abstand von etwa 1 µm
aufweist, entsteht bei dieser Art der Aufbringung der Schicht eine
Übergangszone mit einem Böschungswinkel von etwa 5°. Es wird so lange
mit dem Aufwachsen der Schicht fortgefahren, bis diese eine Stärke von
300 nm erreicht hat. Als nächstes wird der Winkel zwischen
Substrathalter 9 und Drehachse 8 auf α = 80° eingestellt. Eine
Isolatorschicht 3 wird bei einem niedrigeren Sauerstoffpartialdruck
aufgebracht als die vorhergehende Schicht. Obwohl die Schattenmaske 6 an
ihrem Ort verbleibt, wird die Isolatorschicht 3, welche im Ausführungsbeispiel
aus CeO2 besteht, seitlich versetzt über der Grundelektrode 2
abgeschieden. Auf diese Weise wird erreicht, daß ein etwa 0,5 µm breiter
Streifen am Fuß der Grundelektrode vom Isolator 3 unbedeckt bleibt.
Vor dem Aufbringen einer Barriereschicht 4 wird die Schattenmaske 6
entfernt. Als nächstes wird die normal leitende Barriereschicht 4
abgeschieden. Sie besteht aus einem Material, welches auf der
Grundelektrode epitaktisch aufwächst. Das schränkt die Materialwahl auf
Substanzen ähnlichen Gittertyps und vergleichbarer Gitterkonstante ein.
Wie Fig. 4 und 5 zeigen, ist der Winkel zwischen dem Substrathalter 9
und der Drehachse 8 90° beim Abscheiden einer Deckelektrode 5.
Anschließend werden die Barriereschicht und die Deckelektrode durch
einen Ätzprozeß strukturiert. Auf diese Weise entsteht eine
Schichtenfolge, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist und welche die
gewünschten Eigenschaften aufweist. Im Falle eines Tunnelkontaktes wird
selbstverständlich statt der Barriereschicht eine weitere Isolierschicht
abgeschieden. Diese Isolation weist in diesem speziellen Fall eine
Stärke von 1 nm < d < 100 nm auf.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden folgende
Materialien und Parameter verwendet:
Als Substrat 1 wird SrTiO3 verwendet. Darauf wird YBa2Cu3O7 als
Basiselektrode 2 bei einer Temperatur des Substrats von 850°C und einem
Sauerstoffpartialdruck von 20 N/m2 in einer Stärke von d = 300 nm
abgeschieden.
Der Isolator 3 aus CeO2 wird bei einer Temperatur des Substrats von
680°C bei einem Sauerstoffpartialdruck von p = 0,2 N/m2 bei einer
Stärke von 300 nm abgeschieden. Darauf wird die Barriereschicht 4
aus Y0,3Pr0,7Ba2Cu3O7 bei einer Temperatur des Substrats
von 850°C und einem Sauerstoffpartialdruck von 20 N/m2 mit einer Stärke
von 5 nm bis 75 nm abgeschieden. Die Deckelektrode 5 aus dem
gleichen Material wie die Basiselektrode wird bei einer
Substrattemperatur von 850°C und einem Sauerstoffpartialdruck von 20
N/m2 und einer Stärke von d = 300 nm abgeschieden.
In Fig. 6 ist eine U(I)-Kennlinie des Josephson-Elements dargestellt.
Die Frequenz eines eingestrahlten Mikrowellenfeldes betrug 8,74 GHz. Durch das
Mikrowellenfeld wird der kritische Strom unterdrückt und die typischen
Shapiro-Stufen sind deutlich zu sehen.
Fig. 7 zeigt R(T)-Kurven, welche an zwei ohne Barriereschicht
hergestellten Tunnelkontakten gemessen wurden, um die Funktionsfähigkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens zu demonstrieren. Bei der unteren Kurve wurde die
Isolationsschicht aus LaAlO3 unter gleichen Bedingungen wie die
Grundelektrode aufgebracht: Grundelektrode aus YBCO, T = 850°C, p = 20
N/m2, die gleichen Werte wurden für LaAlO3 verwendet. Beim Aufbringen
der beiden Schichten wurde ein Winkel α von 55° gewählt. Bei
der oberen Kurve wurde das LaAlO3 mit einer geänderten
Winkeleinstellung von 80° und einem um den Faktor 10 geringeren
Sauerstoffpartialdruck aufgebracht. Die Kurve
steigt aber im Gegensatz zur unteren Kurve bereits bei niedrigen
Temperaturen an. Der Übergang supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand erfolgt
bei 89 K. Die kritische Stromdichte über dem Kontakt bei 77 K beträgt 2 · 106
A/cm2; d. h. hier liegt das Verhalten einer durchgehenden YBCO-Schicht
vor.
Claims (22)
1. Verfahren zur Herstellung von Josephson- und Tunnelkontakten aus
Hochtemperatur-Supraleitern, welche eine Grundelektrode aus einem
Hochtemperatur-Supraleitermaterial und eine Isolatorschicht, die
teilweise übereinander auf einem Substrat angeordnet sind und
rampenförmig enden, eine die Rampe bedeckende Barrierenschicht und
eine Deckelektrode aus einem Hochtemperatur-Supraleitermaterial
aufweisen, mit folgenden Verfahrensschritten:
- - eine mit kleinen abstandshaltenden Füßchen (10) versehene Schatten maske (6) wird auf das Substrat (1) aufgesetzt;
- - Abscheiden der Grundelektrode (2) als erste Schicht, wobei die Depositionsrichtung mit der Flächennormalen der Substratober fläche einen ersten Winkel (β₁) einschließt;
- - anschließend Abscheiden der Isolatorschicht (3) als zweite Schicht, wobei die Depositionsrichtung mit der Flächennormalen der Substratoberfläche einen zweiten Winkel (β₂) einschließt, der kleiner ist als der erste Winkel;
- - Entfernen der Schattenmaske und
- - Aufbringen der relativ dünnen Barriereschicht (4) und anschließend der Deckelektrode (5).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schattenmaske (6) aus SrTiO3 besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Aufbringen der Grundelektrode (2) der erste Winkel (β₁) 30°
bis 40° beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Aufbringen der Grundelektrode (2) der erste Winkel (β₁) 35°
beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Aufbringen des Isolators (3) der zweite Winkel (β₂) 5° bis
20° beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Winkel (β₂) 10° beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Barriereschicht (4) aus einem Isolator besteht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß zum Herstellen eines Tunnelkontaktes eine isolierende
Barriereschicht (4) von 1 nm bis 20 nm aufgebracht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Barriereschicht (4) für einen Josephson-Kontakt isolierend ist
und eine Stärke von 1 nm bis 10 nm aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Barriereschicht (4) für einen Josephson-Kontakt normalleitend
ist und eine Stärke von 5 nm bis 75 nm aufweist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die supraleitenden Schichten eine Stärke von 300 nm aufweisen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Isolatorschicht (3) eine Stärke von 100 nm bis 500 nm
aufweist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die supraleitenden Schichten (2, 5) aus YBa2Cu3O7 bestehen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die isolierende Schicht (3) aus CeO2 besteht.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Barriereschicht (4) aus Y0,3Pr0,7Ba2Cu3O7 besteht.
16. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Aufbringen der Supraleiterschicht (2, 5) der
Sauerstoffpartialdruck 20 N/m2 und die Substrattemperatur 850°C
betragen.
17. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Barriereschicht (4) bei einer Substrattemperatur von 850°C
und einem Sauerstoffpartialdruck von 20 N/m2 aufgebracht wird.
18. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sauerstoffpartialdruck beim Aufbringen der Isolatorschicht
0,2 N/m2 beträgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die abstandshaltenden Füßchen der Schattenmaske (6) einer Stärke
kleiner 10 µm aufweisen.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stärke den abstandshaltenden Füßchen der Schattenmaske im
Bereich von 0,5 µm bis 2 µm liegt.
21. Verfahren nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die abstandshaltenden Füßchen der Schattenmaske (6) eine Stärke
im Bereich von 0,8 bis 1,2 µm aufweisen.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Substrathalter während der Schichtabscheidung um eine Achse
(8) rotiert, wobei die Atome (7) koaxial auftreffen.
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