DE4434026A1 - Abgleichbarer Josephsonkontakt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen abgleichbaren Josephsonkontakt, der insbesondere bei Verwendung hochtemperatursupraleitender Materialien zum Einsatz gelangt, wo vorzugsweise zwei und mehr Josephsonkontakte möglichst identische Eigenschaften bezüglich ihres normalleitenden Widerstands (R_N) und in weiterer Ausgestaltung ihres kritischen Stroms (I_c) aufweisen sollen. Unter Verwendung hochtemperatursupraleitender Materialien findet die Erfindung dabei bevorzugt Anwendung für mehrere supraleitende Kontakte beinhaltende Bauelemente(arrays), wie synchronisierbare Mikrowellenstrahler, Mischer zur Erzeugung von Zwischenfrequenzen in Mikrowellenempfängern und Josephson-Bolometern.

Es sind eine Vielzahl unterschiedlicher Josephsonkontakttypen bekannt. Zu den meist untersuchten Josephsonkontakten in hochtemperatursupraleitenden Schichten zählen dabei verschiedene Varianten von sogenannten Korngrenzenkontakten, wie Bikristallkontakte (Dimos, D. et al, Phys. Rev. B41 (1990), S. 4038), biepitaktische Kontakte (Char, K. et al, Appl. Phys. Lett. 59 (1991), S. 733) oder Stufenkontakte (Simon, R. W. et al, Proc. ASC′90 IEEE Trans. Mag. 27 (1991), S. 13 209). Die Anwendung derartiger Kontakte in verschiedenen Bauelementen bereitet zur Zeit jedoch noch erhebliche Probleme, weil ihre besonders wesentlichen Parameter, wie kritischer Strom und Normalwiderstand eine relativ große Streuung aufweisen und außerdem häufig eine zeitliche Änderung ihrer I(U)-Kennlinien durch Alterungseffekte zu verzeichnen ist. Mögen diese Streuungen, wie sie ausführlich bei Gross, R. HTSED Workshop ′94, May 1994, S. 19 ff. aufgeführt und gegenübergestellt sind, bei der Herstellung von einzelnen Josephsonkontakten noch tolerierbar sein, sind sie gänzlich unakzeptabel bei in Arrays zu fertigenden Josephsonkontakten, die z. B. für Mikrowellenstrahler Verwendung finden sollen. Bei derartigen Bauelementen führt auch die Auslese einzelner Kontakte, die die gewünschten Parameter aufweisen, nicht zum Erfolg, da diese mit ggf. zu großen Abständen über das Array verteilt vorliegen und somit zur Bildung gewünschten Bauelementes nicht beitragen können. Ebenfalls Gross, R., HTSED Workshop ′94, May 1994, S. 19 ff. ist zu entnehmen, daß die bislang geringsten erreichbaren Streuungen von kritischem Strom und normalleitendem Widerstand bei Josephsonkontakten vom Bikristalltyp erreichbar sind, diese jedoch immer noch zu groß sind, um bei o. g. Bauelementekonzepten unter Verwendung von Hochtemperatursupraleitern zur Anwendung gelangen zu können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Josephsonkontakten, die in Form eines Tunnelkontaktes, eines Nanobrückenkontaktes oder eines SNS-Kontaktes in all ihren jeweils verschiedenen Varianten vorliegen können, insbesondere mehreren solchen auf einem Substrat angeordneten Kontakten, bezüglich ihres normalleitenden Widerstands (R_N) und vorzugsweise auch ihres kritischen Stroms (I_C) identische Parameter zu geben.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Ein abgleichbarer Josephsonkontakt gemäß der Erfindung beinhaltet dabei einen hochtemperatursupraleitenden Josephsonkontakt, der in Form eines Tunnelkontaktes, eines Nanobrückenkontaktes oder eines SNS-Kontaktes in all seinen jeweils verschiedenen Varianten vorliegen kann, welcher von einer Edelmetalloxid- bzw. Edelmetallegierungsoxidschicht überdeckt ist, die in Teilbereichen definiert vorgebbarer Gebiete einen niedrigeren elektrischen Widerstand, als die diese Gebiete umfassende Edelmetalloxid- bzw. Edelmetallegierungsoxidschicht, aufweist, wobei genannte, definiert vorgebbare Gebiete jeweils zwei Hochtemperatursupraleitergebiete, die den Josephsonkontakt bilden, erfassen.

Die definiert vorgebbaren Gebiete niedrigeren elektrischen Widerstands sind bezüglich ihres Oxidationsgrades und ihrer Geometrie, bspw. durch thermische Beaufschlagung der Edelmetalloxid- bzw. Edelmetallegierungsoxidschicht gebildet, wobei sie in situ meßbar getrimmt sind, ansonsten aber als unveränderter Bestandteil der Edelmetalloxid- bzw. Edelmetallegierungsoxidschicht verbleiben.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Josephsonkontaktes führt zu einer erheblichen, definiert trimmbaren Verringerung der R_N- und I_C-Streuungen der Einzelkontakte.

Die Erfindung soll anhand nachstehender Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Josephsonkontakt vom Korngrenzentyp und

Fig. 2 einen Josephsonkontakt über einer Substratstufe,

Fig. 3 a) und b) eine Strom-Spannungskurve eines Josephsonkontaktes vor bzw. nach einer thermischen Beaufschlagung.

In Fig. 1 ist ein Josephsonkontakt vom Korngrenzentyp schematisch in seitlicher Perspektive dargestellt, der aus einer supraleitenden Gd-Ba-Cu- Oxidschicht 1 mit einem Josephsonkontaktbereich (weak link) 3 auf einem ansonsten nicht näher dargetellten Bikristallsubstrat mit einer Korngrenze 2 besteht. Die Ausbildung des genannten Josephsonkontaktbereiches 3 bei Verwendung von Bikristallsubstraten ist bekannt, und wird deshalb nicht näher ausgeführt. Über genannte, im Beispiel bereits in strukturierter Form vorliegenden Schicht 1 mit dem Josephsonkontaktbereich 3 ist eine Edelmetalloxid- bzw. Edelmetallegierungsoxidschicht 5, im Beispiel aus einer ca. 200 nm dicken Goldoxidschicht bestehend, ganzflächig abgeschieden. Diese Goldoxidschicht 5 ist in einem Bereich 4 über dem Josephsonkontaktbereich 3, z. B. mittels thermischer Beaufschlagung durch einen Laserstrahl mit einer Energiedichte in der Größenordnung von ca. 2 kW/mm², in einen Bereich mit erhöhter Leitfähigkeit umgewandelt worden. Dadurch ist ein gewünschter Normalwiderstand (R_N) definiert und monitorierbar einstellbar. Die Gold(oxid)brücke 4 über der Supraleiterunterbrechung ermöglicht aufgrund ihrer hohen Kohärenzlänge für die Träger des Suprastroms eine Beeinflussung (Erhöhung) des kritischen Stroms (I_C). Aus der Position der Goldbrücke über der Korngrenze ergibt sich die Möglichkeit, den kritischen Strom des Josephsonkontaktes in besonders vorteilhafter und einfacher Weise zu erhöhen. Auf diese Weise sind auch alle weiteren, im einzelnen nicht näher dargestellten Josephsonkontakte, welche ein Array bilden können, bezüglich des normalleitenden Widerstands und des kritischen Stroms abgleichbar, so daß die Parameterabweichungen der Einzelkontakte für die bevorzugten Anwendungsgebiete in erforderlicher Weise einengbar sind. Der Abgleich mittels Laserstrahlerwärmung bei gleichzeitiger in situ Messung ermöglicht auch die Parameterkontrolle der einzelnen Kontakte eines Arrays, indem diese zwecks Identifizierung einzeln und zeitweilig nur wenige Grad über ihre kritische Temperatur erwärmt werden.

An sich nicht zur Erfindung gehörige elektrische Kontaktflächen 6, die mit Anschlußdrähten 7 versehen sind, sind in Fig. 1 erkenntlich. Diese Kontaktflächen 6 sind aber in besonders vorteilhafter Weise analog zur Bildung der Gold(oxid)brücke 4 ebenfalls aus der Edelmetalloxidschicht 5 als einstückiges Bestandteil dieser herstellbar.

In Fig. 2 ist ein Josephsonkontakt mit einem als Stufenkontakt über einer Substratstufe 31 ausgebildeten Josephsonkontaktbereich 3 in Draufsicht als Teilausschnitt aus einem Array schematisch dargestellt, bei dem die beiden, in Fig. 2 sich links und rechts der Substratstufe befindlichen und strichliniert umfaßten Supraleiterbereiche 1 des Josephsonkontaktes von einer Edelmetalloxid- bzw. Edelmetallegierungsoxidschicht 5 überdeckt sind. Analog zu Fig. 1 ist ein Bereich 4 des Edelmetalloxids mit einer erhöhten Leitfähigkeit versehen ausgebildet und in Parallelschaltung zum Josephsonkontakt verbunden. Die so hergestellte erfindungsgemäße Edelmetall(oxid)brücke ermöglicht die Einstellung eines Normalwiderstandes des Josephsonkontaktes auf einen gewünschten Wert. Durch die dargestellte seitliche Anordnung der Kontaktbrücke 4 sind mit einer solchen Ausbildung auch kompliziertere Strukturen, wie Stapel intrinsischer Kontakte, oder mehrschichtige Rampenkontakte, bzgl. ihres Normalwiderstandes abgleichbar.

In Fig. 3a) und b) sind schließlich Strom-Spannungskurven eines Josephsonkontaktes, gemessen jeweils bei einer Temperatur von 60 K, vor bzw. nach einer thermischen Beaufschlagung beispielhaft dargestellt. Während in Fig. 3a) der kritische Strom gleich Null ist, zeigt Fig. 3b) eine Erhöhung des kritischen Stromes auf etwa 0,1 mA, sowie eine für Korngrenzenjosephsonkontakte typische Kurvenform durch Ausbildung des erfindungsgemäßen Josephsonkontaktes.

Die Erfindung ist, wie sich unschwer erkennen läßt, nicht auf die beiden dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Es sind mit Hilfe der Erfindung sämtliche bekannten Ausbildungen von Josephsonkontakten, insbesondere jedoch solche, die sich hochtemperatursupraleitender Materialien bedienen, problemlos als abgleichbare Kontakte ausbildbar, bei denen je nach Ausführungsform einmal nur der normalleitende Widerstand oder auch zugleich der kritische Strom auf den gewünschten Wert einstellbar ist.

Bezugszeichenliste

1 - supraleitende Schicht
2 - Korngrenze
3 - Josephsonkontaktbereich
31 - Substratstufe
4 - Gebiet niedrigeren elektrischen Widerstands
5 - Edelmetall(legierungs)oxidschicht
6 - Kontaktflächen
7 - Anschlußdrähte

Claims (3)

1. Abgleichbarer Josephsonkontakt, insbesondere unter Verwendung hochtemperatursupraleitender Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß der Josephsonkontakt mit einer Edelmetalloxid- bzw. Edelmetallegierungsoxidschicht (5) überdeckt ist, der in Teilbereichen (4) definiert vorgebbarer Gebiete, die einstückiges Bestandteil der Edelmetalloxid- bzw. Edelmetallegierungsoxidschicht (5) sind und die einen Josephsonkontaktbereich (3) erfassen, ein niedrigerer elektrischer Widerstand gegeben ist als der Widerstand, der in den genannte Teilbereiche umfassenden Edelmetalloxid- bzw. Edelmetallegierungsoxidschichten (5) vorherrscht.

2. Abgleichbarer Josephsonkontakt gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die definiert vorgebbaren Gebiete niedrigeren elektrischen Widerstands jeweils zwei, den Josephsonkontakt bildende Supraleiterbereiche erfassen und den Josephsonkontaktbereich (weak link) überbrücken.

3. Abgleichbarer Josephsonkontakt gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die definiert vorgebbaren Gebiete niedrigeren elektrischen Widerstands bezüglich ihres elektrischen Widerstands und ihrer Geometrie, beispielsweise durch thermische Beaufschlagung der Edelmetalloxid- bzw. Edelmetallegierungsoxidschicht gebildet und in situ meßbar getrimmt sind, ansonsten aber als unveränderter Bestandteil der Edelmetalloxid- bzw. Edelmetallegierungsoxidschicht verbleiben.