DE4431340A1 - Josephson-Kontakt mit Mehrschichtbarriere - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Josephson-Kontakt mit einer metallisch leitenden oder halbleitenden Barriere zwischen zwei supraleitenden Kontaktschichten.

Ein solcher Josephson-Kontakt ist durch Appl. Phys. Lett. 64 (10), S. 1286 bis 1288, bekannt. Dort sind Josephson- Kontakte beschrieben, die eine einzige Barriereschicht aus PrBa₂Cu₃O₇ zwischen zwei supraleitenden Schichten aus YBa₂Cu₃O₇, im folgenden kurz YBCO genannt, aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Josephson- Kontakt der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher ein hohes Produkt aus kritischem Strom I₀ und normal leiten­ dem Widerstand R_n liefert und welcher in guter Qualität reproduzierbar ist.

Ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Barriere aus mindestens zwei Schichten besteht, welche aus je einem metallisch leitenden oder halbleitenden Perowskitmaterial bestehen, wobei wenigstens eine Schicht eine verglichen mit den anderen Schichten der Barriere wesentlich höhere Leitfähigkeit aufweist.

Bei der bekannten Anordnung besteht die Barriere aus einem einzigen halbleitenden Material, das als eine einzelne Schicht zwischen zwei supraleitende Schichten eingebracht ist. Durch den Aufbau der Barriere aus mehreren Schichten werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung die bei Ein­ schichtbarrieren aufgrund von "pin holes" entstehenden Mikrobrücken zwischen den supraleitenden Schichten verhin­ dert. Außerdem erreicht man aufgrund der höher leitfähigen Schicht eine Homogenisierung der Stromverteilung in der Barriere, was letztlich zur gewünschten Erhöhung des I₀ _* R_n-Produkts führt.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß wenigstens eine Schicht der Barriere eine verglichen mit den anderen Schichten der Barriere wesentlich größere supraleitende Kohärenzlänge aufweist, wodurch die bereits genannten Vorteile einer Mehrschichtbarriere besonders gut erreicht werden.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß die Barriere mindestens drei Schichten aufweist, wobei wechselweise eine Schicht mit geringerer Leitfähigkeit an eine Schicht mit wesentlich höherer Leitfähigkeit grenzt. Der Strom kann sich in jeder der höher leitfähigen Schichten homogen verteilen, wodurch sich ein gleichförmiger Stromfluß durch die gesamte Barriere und eine Verbreiterung des vom Strom durchflossenen Bereichs der Barriere erreichen läßt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Barriere aus drei Schichten, wobei die mittlere Schicht eine ver­ glichen mit den beiden anderen Schichten wesentlich höhere Leitfähigkeit aufweist. Bereits bei dieser Anordnung mit nur drei Barriereschichten werden erhebliche Vorteile gegenüber einer Einschichtbarriere erzielt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung bestehen die niedriger leitfähigen Schichten aus PrBa₂Cu₃O₇ (Appl. Phys. Lett. 64 (10), S. 1286-1288), im folgenden kurz PBCO genannt, und die höher leitfähigen Schichten aus Y_1-yPr_yBa₂Cu₃O₇ (Appl. Phys. Lett. 62 (. . .), S. 196-. . .), im folgenden kurz YPBCO genannt, deren Eigenschaften bereits aus der Verwen­ dung bei Einschichtbarrieren bekannt sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Josephson-Stu­ fenkontaktes mit einer Mehrschichtbarriere bestehend aus drei Schichten und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Josephson-Stu­ fenkontaktes mit einer Mehrschichtbarriere bestehend aus fünf Schichten.

Mit 1 ist in Fig. 1 ein SrTiO₃-Substrat, im folgenden kurz STO genannt, bezeichnet, auf das epitaktisch eine supra­ leitende YBCO-Schicht 2 aufgebracht ist. Darauf ist eine epitaktische Isolierschicht 3 aus STO, MgO oder NdGaO₃ (NGO) abgeschieden. Die YBCO-Schicht 2 und die Isolier­ schicht 3 sind mit einer durch ein bekanntes Ätzverfahren hergestellten Schrägfläche 8 versehen. Darüber befindet sich die aus drei Schichten 4, 5, 6 bestehende Barriere. Die aus PBCO bestehenden Schichten 4 und 6 weisen eine niedrigere Leitfähigkeit und eine geringere supraleitende Kohärenzlänge von 3 nm auf. Die dazwischenliegende YPBCO- Schicht 5 weist eine verglichen mit den PBCO-Schichten 4 und 6 wesentlich höhere Leitfähigkeit und eine größere supraleitende Kohärenzlänge von 15 nm auf. Die YPBCO- Schicht 5 dient hauptsächlich der Homogenisierung der Stromverteilung über dem Kontaktbereich zwischen der er­ sten supraleitenden YBCO-Schicht 2 und einer zweiten su­ praleitenden YBCO-Schicht 7, die als oberste Schicht auf die Barriere aufgebracht ist.

In der höher leitfähigen Schicht 5 kann sich der Strom aufgrund der Querleitfähigkeit homogen verteilen. Außerdem wird der vom Strom durchflossene Bereich der niedriger leitfähigen Schicht 6 (bzw. 4 bei entgegengesetzter Strom­ flußrichtung) dadurch vorteilhaft etwa um den Faktor 2 verbreitert.

Bereits aufgrund der größeren Anzahl an Grenzflächen ge­ genüber einer Einschichtbarriere scheint sich eine deut­ liche Erhöhung des normal leitenden Widerstandes R_n zu ergeben, wozu auch die Unterdrückung von Kurzschlüssen aufgrund besserer Benetzung der verschiedenen Schichten aufeinander beiträgt. Bei Einschichtbarrieren entstehen häufig "pin holes", die die supraleitenden Schichten stel­ lenweise kurzschließen. Bei der erfindungsgemäßen Anord­ nung sind deshalb die Materialien für die Barriereschich­ ten 4, 5, 6 derart ausgewählt, daß jede Schicht die un­ mittelbar darunterliegende möglichst gut benetzt, wodurch sich eine Barriere mit homogener Dicke herstellen läßt. Hohe Reproduzierbarkeit der Josephson-Kontakte mit guter Qualität ist dadurch gewährleistet.

Die Kristallstrukturen der verwendeten Materialien müssen hinsichtlich der Gitterkonstanten und der thermischen Ausdehnungskoeffizienten möglichst gut zueinander passen, um ein gutes Aufwachsen der einzelnen Schichten auf­ einander, vor allem der ersten Barriereschicht 4 auf der supraleitenden Schicht 2 zu garantieren.

Der kritische Strom I₀ wird von den Eigenschaften der gesamten Barriere begrenzt, wobei aufgrund der größeren Kohärenzlänge in der YPBCO-Schicht 5 der Einfluß der PBCO- Schichten 4 und 6 überwiegt. Insgesamt ergibt sich eine gewünschte Erhöhung des I₀ _* R_n-Produkts.

Die Schichten der Barriere können auch aus anderen leitenden oder halbleitenden Perowskitmaterialien als den bisher genannten bestehen. Als höher leitfähiges Material kann statt des genannten YPBCO beispielsweise normal­ leitendes YBCO (mit einer geringen Schichtdicke < 5 nm) oder Y_1-x-yPr_xCa_yBa₂Cu₃O₇ verwendet werden. Die niedriger leitfähigen Schichten können beispielsweise aus SrRuO₃, CaRuO₃ oder aus Pr_1-yCa_yBa₂Cu₃O₇ (mit niedrigem Ca-Anteil) statt aus PBCO bestehen. Die höher leitfähigen Schichten sollten dabei eine mindestens um den Faktor 5 höhere Leit­ fähigkeit aufweisen.

Bevorzugt werden die supraleitenden Schichten aus YBCO hergestellt. Das Yttrium in diesen Verbindungen kann aber auch durch andere Elemente wie Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium oder Ytterbium ersetzt werden.

In einer aufwendigeren, aber besonders vorteilhaften Aus­ gestaltung der Erfindung besteht die Barriere aus fünf schichten wie in Fig. 2 dargestellt. Zwei höher leitfähige Schichten 10 und 12 aus DyBa₂Cu₃O₇ mit einer Dicke von je­ weils 2,4 nm liegen wechselweise zwischen drei 5,5 nm dicken PBCO-Schichten 9, 11 und 13. Die supraleitenden Kontaktschichten 14 und 15 sind jeweils etwa 100 bis 200 nm dick und bestehen aus DyBa₂Cu₃O₇. Als Ergebnis erhielt man bei einer Temperatur von T = 70 K bei dieser Anordnung gegenüber einer Anordnung mit einer Einschichtbarriere ein etwa um den Faktor 3 erhöhtes I₀ _* R_n-Produkt.

Verwendet wird ein erfindungsgemäßer Josephson-Kontakt beispielsweise in einem Gleichstrom-SQUID. Ziel ist dabei, eine möglichst große Änderung der über dem Josephson-Kon­ takt abfallenden Spannung bei Änderung des die Barriere durchsetzenden Magnetflusses zu erhalten. Bei einem Gleichstrom-SQUID mit einem in Fig. 2 gezeigten Josephson- Kontakt erreichte man eine um den Faktor 3 vergrößerte Spannungsänderung bei Flußänderung gegenüber einem Gleich­ strom-SQUID mit einem Josephson-Kontakt mit einer Ein­ schichtbarriere.

Claims (5)

1. Josephson-Kontakt mit einer leitenden oder halbleiten­ den Barriere zwischen zwei supraleitenden Kontaktschich­ ten, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere aus mindestens zwei Schichten besteht, welche aus je einem metallisch leitenden oder halbleitenden Perowskitmaterial bestehen, wobei wenigstens eine Schicht eine verglichen mit den anderen Schichten der Barriere wesentlich höhere Leit­ fähigkeit aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Schicht der Barriere eine verglichen mit den anderen Schichten der Barriere wesentlich größere supraleitende Kohärenzlänge aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere mindestens drei Schichten aufweist, wobei wechselweise eine Schicht mit geringerer Leitfähigkeit an eine Schicht mit wesentlich höherer Leitfähigkeit grenzt.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Barriere aus drei Schichten besteht, wobei die mittlere Schicht eine verglichen mit den beiden anderen Schichten wesentlich höhere Leitfähigkeit aufweist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die niedriger leitfähigen Schichten aus PrBa₂Cu₃O₇ und die höher leitfähigen Schichten aus Y_1-x-yPr_xCa_yBa₂Cu₃O₇ bestehen.