DE4439155A1 - Josephson contact-forming grain boundary prodn. - Google Patents

Josephson contact-forming grain boundary prodn.

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Abstract

In a layer sequence with a substrate (1) and a high temp. superconductor layer (6), the substrate surface has smooth and rough structures on opposite sides of a selected separating line (7) and an epitaxial layer (9) is joined to the substrate surface on both sides of the separating line (7). The epitaxial layer (9) has different crystal orientations on opposite sides of the separating line (7) such that the high temp. superconductor layer (6), applied onto the epitaxial layer (9), forms a 45 deg. grain boundary above the separating line (7). Also claimed are (i) an electronic device with the above layer sequence; and (ii) a method of producing 45 deg. grain boundaries in a CeO2 layer (9).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schichtenfolge mit Substrat und einer Schicht aus hochtemperatur-supraleitendem Material, ein diese Schichtenfolge enthaltendes, elek­ tronisches Bauelement. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von 45°-Korngrenzen in einer CeO₂-Schicht.The invention relates to a layer sequence with a substrate and a layer of high temperature superconducting Material, an electrical containing this layer sequence tronic component. The invention further relates to a process for the production of 45 ° grain boundaries in a CeO₂ layer.

Die Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter (HTSL) hat zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten auf diesem Gebiet veranlaßt. Ein weiter Bereich dieser Aktivitäten befaßt sich mit der Herstellung von sgn. Josephson-Kontakten (JK) in Dünnschichttechnologie aus diesen Materialien. Der JK ist das Schlüsselelement jeder aktiven Supraleitungsschaltung.The discovery of high temperature superconductors (HTSL) has numerous research and development activities caused this area. Another area of this Activities deals with the production of sgn. Josephson contacts (JK) in thin-film technology these materials. The JK is the key element any active superconducting circuit.

Bedeutsam sind in diesem Zusammenhang Verfahren, die eine kontrollierte und reproduzierbare Herstellung von JK- bildenden Korngrenzen in epitaktischen, kristal­ linen Filmen innerhalb einer Schichtenfolge ermög­ lichen. Processes that are important in this context are: a controlled and reproducible production of JK-forming grain boundaries in epitaxial, crystalline Linen films within a layer sequence possible lichen.  

Als Stand der Technik sind in einer Schichtenfolge neben den Stufen-JK (z. B. Appl. Phys. Lett., 58, S. 543 (1991)) und Bikristall-JK (z. B. Phys. Rev. Lett., 60, S. 1653, (1988)) die sogenannten Biepitaxie-JK aus z. B. Appl. Phys. Lett., 59, S. 733 (1991) bekannt.As state of the art are in a layer sequence in addition to the graded JK (e.g. Appl. Phys. Lett., 58, p. 543 (1991)) and Bikristall-JK (e.g. Phys. Rev. Lett., 60, S. 1653, (1988)) the so-called Biepitaxie-JK from z. B. Appl. Phys. Lett., 59, p. 733 (1991).

Dabei werden durch Steuerung des "in-plane"-Wachstum von epitaktischen Schichten 45°-Korngrenzen in YBa₂Cu₃O₇ hergestellt. Im einzelnen wird verfahrensmäßig zunächst auf einem einkristallinen Substrat aus z. B. SrTiO₃ eine relativ dünne Keimschicht aus z. B. MgO epitaktisch abgeschieden und strukturiert. In einem nächsten Schritt wird eine Pufferschicht aus z. B. CeO₂ abgeschieden. Dabei wächst diese Puffer­ schicht auf der mit der Keimschicht bedeckten Substrat­ oberfläche "Kubus auf Kubus" auf, während sie auf dem unbedeckten Bereich der Substratoberfläche "um 45° verdreht" aufwächst. Im Ergebnis bildet sich an der die beiden Substratoberflächenbereiche gegenüber einander abgrenzenden Trennlinie eine 45°-Korngrenze aus. Soweit in einer nachfolgenden Abscheidung auf der Pufferschicht eine HTSL-Schicht gebildet wird, weist diese Schicht im Bereich der Trennlinie ebenfalls eine 45°-Korngrenze auf, die als JK funktioniert.Thereby, by controlling the "in-plane" growth of 45 ° grain boundaries in epitaxial layers YBa₂Cu₃O₇ manufactured. More specifically procedurally first on a single crystal Z. B. SrTiO₃ a relatively thin seed layer from z. B. MgO epitaxially deposited and structured. In a next step, a buffer layer is made e.g. B. CeO₂ deposited. This buffer grows layer on the substrate covered with the seed layer surface "cube on cube" while you are on the uncovered area of the substrate surface "by 45 ° twisted "grows up. As a result, the two substrate surface areas opposite each other separating dividing line a 45 ° grain boundary. So far in a subsequent deposition on the Buffer layer has an HTSL layer is formed this layer in the area of the dividing line is also a 45 ° grain boundary that works as a JK.

Nachteilig bei dieser bekannten Schichtenfolge bzw. beim bekannten Verfahren ist jedoch, daß unerwünscht fremdes Material zur Bildung einer zusätzlichen zunächst zu bildenden Keimschicht erforderlich ist.A disadvantage of this known layer sequence or in the known method, however, that is undesirable foreign material to form an additional germ layer to be formed first is required.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine Schichten­ folge zu schaffen, die keine zusätzliche zum epitaktischen Wachstum der Pufferschicht aufweisende Keimschicht enthält. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schichtenfolge, insbesondere zur Bildung einer 45°- Korngrenze in einer Pufferschicht, ohne vorheriger Bildung einer Keimschicht bereit zu stellen. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung auf diese Weise ein Verfahren zur Bildung einer Schichtenfolge mit eine 45°-Korngrenze aufweisender HTSL-Schicht zu schaffen.It is therefore an object of the invention to use layers follow the creation of no additional to epitaxial growth of the buffer layer Contains germ layer. It is also the task of Invention a method for producing such  Layer sequence, especially to form a 45 ° - Grain boundary in a buffer layer, without previous To provide formation of a seed layer. Finally, it is an object of the invention in this Wise a method for forming a layer sequence with a 45 ° grain boundary HTSL layer create.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schichtenfolge gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein elektronisches Bauelement gemäß den Merkmalen nach Anspruch 5. Die Aufgabe wird verfahrensmäßig durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.The task is solved by a layer sequence according to the features of claim 1 or by electronic component according to the features Claim 5. The task is procedurally by a Method according to the features of claim 6 solved.

Es wurde in diesem Zusammenhang erkannt, daß das Wachstum der Pufferschicht, insbesondere aus CeO₂, auf einkristallinen Substraten, insbesondere aus MgO, entscheidend von der Oberflächenbeschaffenheit des Substrats bestimmt ist. Eine gezielte Aufrauhung, insbesondere durch Stufen auf der Substratoberfläche bewirken, daß die darauf abgeschiedene Pufferschicht mit der "in-plane"-Kristallorientierung als "Kubus auf Kubus" orientiert, insbesondere im Falle CeO₂ auf MgO mit (100)CeO₂/(100)MgO, aufwächst.In this context, it was recognized that the Growth of the buffer layer, especially from CeO₂ single-crystalline substrates, in particular made of MgO, crucial from the surface quality of the Substrate is determined. A targeted roughening, especially by steps on the substrate surface cause the buffer layer deposited thereon with the "in-plane" crystal orientation as a "cube Kubus "oriented, especially in the case of CeO₂ on MgO with (100) CeO₂ / (100) MgO, grows up.

Im Gegensatz dazu wächst die Pufferschicht auf glatten Substratoberflächenbereichen mit der "in-plane"- Kristallorientierung, insbesondere im Falle CeO₂ auf MgO mit (110)CeO₂/(100)MgO, gegenüber dem anderen aufgewachsenen Schichtbereich 45° verdreht auf. Im Ergebnis wird dadurch eine 45°-Korngrenze in der Pufferschicht gebildet. Eine auf dieser Pufferschicht gebildete, epitaktische HTSL-Schicht weist ebenfalls eine 45°-Korngrenze auf, die als JK funktioniert. In contrast, the buffer layer grows on smooth Substrate surface areas with the "in-plane" - Crystal orientation, especially in the case of CeO₂ MgO with (110) CeO₂ / (100) MgO, over the other grown layer area rotated 45 °. in the The result is a 45 ° grain boundary in the Buffer layer formed. One on this buffer layer epitaxial HTSL layer formed also has a 45 ° grain boundary that works as a JK.  

Vorteilhaft erhält die Schichtenfolge gemäß Anspruch 1, bzw. das elektronische Bauelement gemäß Anspruch 5 keine zusätzliche, mit den Nachteilen enthaltende Keimschicht. Außerdem weisen das Substrat und auch die darauf aufgebrachte Pufferschicht eine planare Ober­ fläche auf, was zum Wachstum weiterer Schichten auf die Oberflächen vorteilhaft ist. Im überigen kommt man mit einer einzigen Oberflächenbehandlung, durch Aufrauhung eines definierten Bereichs der Substratoberfläche, aus.Advantageously, the layer sequence according to claim 1 or the electronic component according to claim 5 no additional, containing the disadvantages Seed layer. In addition, the substrate and also the a planar surface is applied to the buffer layer area on what to grow more layers on the Surfaces is advantageous. In the other one comes with a single surface treatment, by roughening a defined area of the substrate surface.

In auf den Anspruch 1 rückbezogenen Ansprüchen 2 bis 4 finden sich weitere, vorteilhafte oder zumindest zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schichtenfolge. In den auf den Anspruch 6 rückbezogenen Ansprüchen 7 bis 9 finden sich weitere, vorteilhafte oder zumindest zweckmäßige Varianten des erfindungs­ gemäßen Verfahrens.In claims 2 referring back to claim 1 to 4 there are other, advantageous or at least expedient embodiments of the invention Layer sequence. In the referenced to claim 6 Claims 7 to 9 are further advantageous or at least appropriate variants of the Invention according to the procedure.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand von Figuren näher erläutert. Es zeigenIn the following the invention is based on figures explained in more detail. Show it

Fig. 1 Schichtenfolge mit Substrat und teil­ weise dieses bedeckende Keimschicht in Seitenansicht; Fig. 1 layer sequence with substrate and partially covering this seed layer in side view;

Fig. 2a Schichtenfolge der Fig. 1 mit zusätz­ lich aufgebrachten eine 45°-Korngrenze aufweisenden Puffer- und HTSL-Schicht in Seitenansicht; Fig. 2a layer sequence of Figure 1 with additional Lich applied a 45 ° grain boundary buffer and HTSL layer in side view.

Fig. 2b Schematisch dargestellte Kristall­ orientierung der beiden den Trennlinien­ bereich bildenden HTSL-Schichtbereiche der in Fig. 2a dargestellten Schichten­ folge in Aufsicht; Fig. 2b schematically represented crystal orientation of the two lines of the separating area forming HTSC layer portions of the layers shown in Figure 2a follow in plan.

Fig. 3 MgO-Substrat mit zur Bildung einer an der Substratoberfläche definierten Trennlinie vorgesehener Maske; Fig. 3 MgO substrate having provided for forming a defined at the substrate surface parting line mask;

Fig. 4 mit Stufen erfolgte Aufrauhung des nicht abgedeckten Bereichs der Substrat­ oberfläche gemäß Fig. 3; Fig. 4 with roughening of the uncovered area of the substrate surface according to Fig. 3;

Fig. 5 auf dem Substrat gemäß Fig. 4 gebil­ dete, eine 45°-Korngrenze an der Trenn­ linie aufweisende CeO₂-Schicht; Fig. 5 formed on the substrate according to Fig. 4, a 45 ° grain boundary on the dividing line having CeO₂ layer;

Fig. 6 Schichtenfolge nach Fig. 5 mit eine 45°-Korngrenze an der Trennlinie auf­ weisender HTSL-Schicht aus YBa₂Cu₃O₇. Fig. 6 layer sequence according to Fig. 5 with a 45 ° grain boundary at the dividing line pointing HTSL layer made of YBa₂Cu₃O₇.

In den Fig. 1 und 2 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte und vorher angedeutete Variante zur Herstellung einer Schichtenfolge gemäß dem Oberbegriff dargestellt.In Figs. 1 and 2, a variant known from the prior art and previously indicated is shown for manufacturing a layer sequence according to the preamble.

Dabei sind auf einem Substrat 1 durch im einzelnen nicht dargestellter Maskierung, Abscheidung und damit erfolgter Bildung einer Keimschicht 2 und Entfernung der Maske zwei Bereiche 3 bzw. 4 der Substratoberfläche mit bzw. ohne Keimschichtbedeckung entstanden, auf denen anschließend eine Pufferschicht 5 und eine HTSL- Schicht 6 gebildet wurden. Beide Schichten 5 und 6 weisen eine entlang der Trennlinie 7 verlaufende 45° Korngrenze auf, die in der HTSL-Schicht 6 als JK funktioniert. In this case, two areas 3 and 4 of the substrate surface with or without a seed layer covering, on which a buffer layer 5 and an HTSL layer are subsequently formed, are formed on a substrate 1 by masking, deposition and thus formation of a seed layer 2 and removal of the mask. Layer 6 were formed. Both layers 5 and 6 have a 45 ° grain boundary running along the dividing line 7 , which functions as a JK in the HTSL layer 6 .

In den Fig. 3 bis 6 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer 45°-Korngrenze in CeO₂ und HTSL-Schicht dargestellt.In FIGS. 3 to 6, the inventive method for producing a 45 ° grain boundary in CeO₂ and HTSC layer is shown.

Dabei wird gemäß Fig. 3 auf einem Substrat 1 mit glatter Oberfläche eine Maske 8 zur Definition der Trennlinie 7 auf der Substratoberfläche aufgebracht.In this case, as shown in FIG. 3 is applied on a substrate 1 having a smooth surface, a mask 8 defining the parting line 7 on the substrate surface.

Sodann erfolgt eine Aufrauhung der freien, nicht mit der Maske 8 bedeckten Substratoberfläche und Bildung von Stufen durch Aufdampfung von MgO, wie in Fig. 4 angedeutet.The free substrate surface not covered with the mask 8 is then roughened and steps are formed by vapor deposition of MgO, as indicated in FIG. 4.

Alternativ ist es aber auch vorstellbar, mittels Ionen­ implantation, chemischer oder physikalischer Ätzung die Aufrauhung der Oberfläche des Substrats 1 zu bewirken.Alternatively, however, it is also conceivable to roughen the surface of the substrate 1 by means of ion implantation, chemical or physical etching.

Nach Entfernung der Maske 8 wird gemäß Fig. 5 eine CeO₂-Schicht 9 sowohl auf die aufgerauhte als auch auf die glatte Oberfläche aufgebracht. Dabei bildet sich im Bereich der Trennlinie 7 zwischen diesen Substratober­ flächenbereichen in der CeO₂-Schicht 9 eine 45°- Korngrenze.After removal of the mask 8 , a CeO₂ layer 9 is applied to both the roughened and the smooth surface as shown in FIG . A 45 ° grain boundary is formed in the area of the dividing line 7 between these substrate surface areas in the CeO₂ layer 9 .

Soweit gemäß Fig. 6 auf der CeO₂-Schicht 9 noch eine HTSL-Schicht 6 epitaktisch gebildet wird, weist auch diese an der Trennlinie ebenfalls eine 45°-Korngrenze auf. Diese funktioniert als Josephson-Kontakt. Als HTSL-Material kann dabei z. B. YBa₂Cu₃O₇ gewählt werden.As far as, according to still a HTSC layer 6 is formed epitaxially on the CeO₂ layer 9 Fig. 6, also has this at the parting line is also a 45 ° grain boundary. This works as a Josephson contact. As HTSL material z. B. YBa₂Cu₃O₇ can be selected.

Die glatte MgO-Substratoberfläche im obigen Ausführungsbeispiel hatte eine Rauhigkeit von 0,6*10-9 in auf einer Fläche von µm². Die Rauhigkeit im aufgerauhten Bereich der Substratoberfläche betrug 2,6*10-9 m. Dabei waren Stufen auf der Oberfläche vorhanden, deren Abstand zueinander einige 10*10-9 m betrug. Die Aufdampfung des MgO erfolgte bei einer Temperatur von 525°C des Substratheizers. Die CeO₂- Schicht wurde bei 900°C Heizertemperatur mit einer Dicke von 50*10-9 m gebildet. Die YBa₂Cu₃O₇-Beschich­ tung erfolgte bei 750°C.The smooth MgO substrate surface in the above embodiment had a roughness of 0.6 * 10 -9 in on an area of µm². The roughness in the roughened area of the substrate surface was 2.6 * 10 -9 m. There were steps on the surface, the distance from each other was some 10 * 10 -9 m. The MgO was evaporated at a temperature of 525 ° C. of the substrate heater. The CeO₂ layer was formed at 900 ° C heater temperature with a thickness of 50 * 10 -9 m. The YBa₂Cu₃O₇ coating was carried out at 750 ° C.

Claims (9)

1. Schichtenfolge mit Substrat (1) und einer Schicht aus hochtemperatur-supraleitendem Material (6), dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Substratoberfläche entlang einer aus­ gewählten Trennlinie (7) einerseits eine glatte, andererseits eine aufgerauhte Struk­ tur aufweist,
  • - eine epitaktische Schicht (9) im Bereich der Trennlinie (7) beidseitig mit der Substrat­ oberfläche verbunden ist,
  • - die epitaktische Schicht (9) im Bereich über der aufgerauhten Substratoberfläche eine gegenüber dem Bereich der epitaktischen Schicht (9) über der glatten Substrat­ oberfläche unterschiedliche Kristallorien­ tierung derart aufweist, daß die auf die epitaktische Schicht (9) aufgebrachte und mit dieser verbundene, hochtemperatur­ supraleitende Schicht (6) über der Trenn­ linie (7) der Substratoberfläche eine 45°- Korngrenze bildet.
1. Layer sequence with substrate ( 1 ) and a layer of high-temperature superconducting material ( 6 ), characterized in that
  • - The substrate surface along a selected dividing line ( 7 ) on the one hand has a smooth, on the other hand a roughened structure,
  • an epitaxial layer ( 9 ) is connected to the substrate surface on both sides in the region of the dividing line ( 7 ),
  • - The epitaxial layer ( 9 ) in the area above the roughened substrate surface has a different compared to the area of the epitaxial layer ( 9 ) on the smooth substrate surface different crystalline orientation such that the applied to the epitaxial layer ( 9 ) and associated with it, high temperature superconducting layer ( 6 ) over the dividing line ( 7 ) of the substrate surface forms a 45 ° grain boundary.
2. Schichtenfolge nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch MgO als Substratmaterial. 2. Layer sequence according to claim 1 marked by MgO as substrate material.   3. Schichtenfolge nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch CeO₂ als Material der epitaktischen Schicht (9).3. Layer sequence according to claim 1 or 2 characterized by CeO₂ as the material of the epitaxial layer ( 9 ). 4. Schichtenfolge nach Anspruch 1, 2 oder 3 gekennzeichnet durch YBa₂Cu₃O₇ als Material für die hochtemperatur- supraleitende Schicht (6).4. Layer sequence according to claim 1, 2 or 3 characterized by YBa₂Cu₃O₇ as a material for the high-temperature superconducting layer ( 6 ). 5. Elektronisches Bauelement mit einer Schichtenfolge nach einem der Ansprüche 1 bis 4.5. Electronic component with a layer sequence according to one of claims 1 to 4. 6. Verfahren zur Herstellung von 45°-Korngrenzen in einer CeO₂-Schicht (9), dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche eines Substrat (1) entlang einer definierten Trennlinie (7) einerseits aufgerauht, andererseits glatt ausgebildet und CeO₂ epitak­ tisch auf diese Oberfläche im Bereich der Trennlinie (7) abgeschieden und auf diese Weise die CeO₂-Schicht (9) gebildet wird.6. Process for the production of 45 ° grain boundaries in a CeO₂ layer ( 9 ), characterized in that the surface of a substrate ( 1 ) along a defined dividing line ( 7 ) is roughened on the one hand, on the other hand smoothly formed and CeO₂ epitacically on this surface deposited in the region of the dividing line ( 7 ) and in this way the CeO₂ layer ( 9 ) is formed. 7. Verfahren zur Herstellung von 45°-Korngrenzen in einer CeO₂-Schicht (9) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrauhung mittels Ätzung, Ionenimplantation oder durch Bildung einer epitaktischen MgO-Schicht erfolgt. 7. The method for producing 45 ° grain boundaries in a CeO₂ layer ( 9 ) according to claim 6, characterized in that the roughening takes place by means of etching, ion implantation or by forming an epitaxial MgO layer. 8. Verfahren zur Herstellung von 45°-Korngrenzen in einer CeO₂-Schicht (9) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der so gebildeten CeO₂-Schicht (9) hoch­ temperatursupraleitendes Material im Bereich über der Trennlinie (7) abgeschieden und auf diese Weise eine HTSL-Schicht (6) gebildet wird.8. A method for producing 45 ° grain boundaries in a CeO₂ layer ( 9 ) according to claim 6 or 7, characterized in that on the CeO₂ layer ( 9 ) thus formed, highly temperature-superconducting material is deposited in the region above the dividing line ( 7 ) and in this way an HTSL layer ( 6 ) is formed. 9. Verfahren zur Herstellung von 45°-Korngrenzen in einer CeO₂-Schicht (9) nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß YBa₂Cu₃O₇ als Material für die HTSL-Schicht (6) gewählt wird.9. A method for producing 45 ° grain boundaries in a CeO₂ layer ( 9 ) according to claim 6, 7 or 8, characterized in that YBa₂Cu₃O₇ is chosen as the material for the HTSL layer ( 6 ).
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