DE69032845T2 - Josephsoneffektbauelement des Typs mit Tunnelverbindung und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Josephsoneffektbauelement des Typs mit Tunnelverbindung und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Josephson-Bauelement mit Tunnelübergang sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung und insbesondere ein neuartiges Josephson-Bauelement mit Tunnelübergang, welches eine hervorragende Eigenschaft des supraleitenden Verbundoxidmaterials verwendet sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
- Josephson-Bauelemente wurden entwickelt mit einer schwachen Verbindung oder einem schwachen Übergang zwischen einem Paar Supraleiter. Dabei wurden konventionelle Aufbauten zur Ausbildung der schwachen Verbindung vorgeschlagen. Der am meisten verwendete Aufbau ist ein Josephson-Bauelement mit Tunnelübergang, wobei eine extrem dünne Isolierschicht zwischen einem Paar Supraleiter angeordnet ist.
- Bei den herkömmlichen gemäss dem Stand der Technik hergestellten Josephson-Bauelementen mit Tunnelübergang besteht der Supraleiter aus Nb, NbN, Pb und dgl., wohingegen die Isolierschicht aus einer Oxidschicht besteht, die auf einer Oberfläche eines Supraleiters aus Nb oder Pb ausgebildet ist oder aber aus einer abgeschiedenen Schicht aus MgO oder a-Si. Diese metallischen Supraleiter weisen jedoch eine sehr geringe kritische Temperatur der Supraleitfähigkeit auf und können daher ihre supraleitenden Eigenschaften nur dann wirksam zur Geltung bringen, wenn sie mit dem äusserst teuren flüssigen Helium gekühlt werden.
- Andererseits wurde 1986 entdeckt, dass ein gesintertes Verbundoxid wie z. B. (La, Ba)&sub2;CuO&sub4; und (La, Sr)&sub2;CuO&sub4; ein supraleitendes Material mit einer hohen kritischen Temperatur Tc ist. Im Anschluss an diese Entdeckung wurde gefunden, dass ein Verbundoxid mit einer Zusammensetzung, die sich durch Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-X darstellen lässt, eine wirksame Supraleitfähigkeit in einem Temperaturbereich aufweist, der nicht geringer ist als die Temperatur des flüssigen Stickstoffs. Dieses Supraleitermaterial, das Supraleitfähigkeit bei der oben erwähnten Temperatur aufweist, ermöglicht es den billigen flüssigen Stickstoff als Kühlmittel zu verwenden und hat daher Untersuchungen hinsichtlich der gegenwärtigen Anwendung der Supraleitertechnologie in Gang gesetzt. Dazu gehören zahlreiche Versuche, ein Josephson-Bauelement aus einem supraleitenden Verbundoxid zu entwickeln.
- Es wurde festgestellt, dass herkömmliche Josephson- Bauelemente, die in Experimenten mit dem oben genannten supraleitenden Verbundoxidmaterial ausgebildet wurden, keine ausreichenden Eigenschaften selbst bei 4,2 K aufwiesen, d. h. bei der Temperatur des flüssigen Heliums.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Josephson- Bauelement zu schaffen, welches in wirksamer Weise eine ausgezeichnete Eigenschaft des supraleitenden Verbundoxidmaterials ausnutzt und damit den oben erwähnten Nachteil der herkömmlichen Bauelemente überwindet sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen.
- Das erfindungsgemässe Josephson-Element mit Tunnelübergang ist im Anspruch 1 beschrieben.
- Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung des Josephson-Bauelementes mit Tunnelübergang ist im Anspruch 4 beschrieben.
- Die Verbundoxidschichten des oben erwähnten Josephson- Bauelementes können durch physikalische Abscheidung oder chemische Abscheidung hergestellt werden, die beide dem Fachmann gut bekannt sind. Vorteilhafterweise kann eine Zerstäubung oder eine Ionenplattierung verwendet werden.
- Die Isolierschicht besteht aus Y&sub2;Ba&sub1;Cu&sub1;O5-y oder aus Y&sub1;Ba&sub3;Cu&sub2;Oz und die supraleitenden Schichten bestehen aus YBa&sub2;Cu&sub3;O7-X.
- Ausserdem besteht ein Substrat auf dem das oben genannte Josephson-Bauelement ausgebildet wird aus einem SrTiO&sub3;- Einkristall oder einem MgO-Einkristall.
- Die Dicke der supraleitenden Schichten liegt in der Grössenordnung von 1000 Å bis 3000 Å und die Dicke der Isolierschicht beträgt 20 Å bis 100 Å und vorzugsweise 50 Å bis 100 Å (10 Å = 1 nm).
- Wie man sieht, ist das erfindungsgemässe Josephson- Bauelement mit Tunnelübergang gemäss dem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht aus einem Verbundoxid besteht, welches die gleichen Bestandselemente auf weist, wie diejenigen des supraleitenden Verbundoxidmaterials, aus dem die supraleitenden Schichten bestehen.
- Das herkömmliche Verfahren zur Ausbildung einer Isolierschicht durch Oberflächenoxidation eines Supraleiters eignet sich nicht für ein supraleitendes Verbundoxidmaterial, welches ursprünglich ein Oxid ist. Im Stand der Technik wurde vorgeschlagen, zwischen einem Paar supraleitender Schichten eine Isolierschicht auszubilden, die aus einem isolierenden Material besteht und bis in die Gegenwart hinein wurde versucht, die Isolierschicht aus MgO, Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2; und dgl. auszubilden (siehe JP-A-63-306676 oder J. Phys. D: Appl. Phys., Bd. 20, 1987, Seiten 1330-1335).
- Jedoch konnte keines der in herkömmlicher Weise hergestellten Josephson-Bauelemente zufriedenstellende Resultate erzielen. Dies beruht nach Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung auf folgenden Gründen:
- (1) Ein supraleitendes Material erfordert während des Herstellungsverfahrens eine Wärmebehandlung. Zum Zeitpunkt der Wärmebehandlung diffundieren jedoch Elemente, aus denen die Isolierschicht besteht, in die supraleitende Schicht in der Nähe der Berührungsfläche zwischen der Isolierschicht und der supraleitenden Schicht. Als Ergebnis geht die Supraleitfähigkeit verloren.
- (2) In einem Raum mit hoher Temperatur und einem niedrigen Sauerstoffpartialdruck, beispielsweise in einer Abscheidekammer, die zum Abscheiden jeder Schicht des Josephson- Bauelementes verwendet wird, wird der im supraleitenden Verbundoxidmaterial enthaltene Sauerstoff durch eine Iso lierschicht absorbiert, so dass die supraleitende Schicht zerstört wird.
- (3) Da der Isolator und der Hochtemperatursupraleiter grosse Unterschiede in der Gitterkonstanten, im thermischen Expansionskoeffizienten und anderen Faktoren aufweisen, wird eine Störung an der Berührungsfläche zwischen dem Isolator und dem Supraleiter erzeugt.
- Im beanspruchten erfindungsgemässen Josephson-Bauelement werden die oben genannten Nachteile überwunden durch Ausnutzung der Tatsache, dass, wenn in einem supraleitenden Verbundoxidmaterial das Atomverhältnis der Bestandselemente geändert wird, dieses Material seine Supraleitfähigkeit verliert und dadurch zu einem Isolator wird.
- Wenn die Isolierschicht des Josephson-Bauelementes aus einem Verbundoxid besteht, welches dem supraleitenden Material sehr ähnlich ist, so können die supraleitenden Schichten und eine Isolierschicht, welche das Josephson-Bauelement bilden, kontinuierlich ausgebildet werden, ohne die Abscheidebedingungen für die Schichten zu ändern, wie es beansprucht ist. Ausserdem sind die Unterschiede in der Gitterkonstanten und dem thermischen Expansionskoeffizienten zwischen den supraleitenden Schichten und der Isolierschicht verringert, wodurch eine Beeinträchtigung der durch die Berührungsflächenstörung hervorgerufenen Eigenschaften verringert wird und die Schichten leicht die Form eines epitaktischen Kristalls annehmen. Da ausserdem die Isolierschicht selbst ein Verbundoxid ist, wird die Isolierschicht keinen Sauerstoff aus der supraleitenden Schicht absorbie ren, so dass die Eigenschaften der supraleitenden Schicht nicht verlorengehen.
- Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Ausbildung der supraleitenden Schichten und der Isolierschicht vorteilhafterweise während Sauerstoff durch Verwendung einer Sauerstoffdüse oder einer Sauerstoff-Ionenkanone zugeführt wird. Durch diese Behandlung wird die Oxidation der Schichten erleichtert, so dass selbst wenn eine Wärmebehandlung nach der Abscheidung der Schichten entfällt, eine supraleitende Schicht mit ausgezeichneten Eigenschaften erhalten wird.
- Diese und andere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der beanspruchten Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten erfindungsgemässen Ausführungsbeispieles deutlich im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung. Es sei jedoch betont, dass die nachfolgende Offenbarung nur ein Ausführungsbeispiel darstellt, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, ohne jedoch darauf und auf die dargestellten Einzelheiten des gezeichneten Aufbaus beschränkt zu sein.
- Fig. 1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Josephson-Bauelements mit Tunnelübergang; und
- Fig. 2 eine graphische Darstellung der Spannungs-/Strom- Eigenschaften eines gemäss der Erfindung hergestellten Josephson-Bauelementes.
- In Fig. 1 ist schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausfführungsbeispiels eines erfindungsgemässen Josephson-Bauelementes mit Tunnelübergang dargestellt.
- Gemäss Fig. 1 besteht das Josephson-Bauelement aus einer ersten supraleitenden Schicht 2, einer Isolierschicht 3 und einer zweiten supraleitenden Schicht 4, die in dieser Reihenfolge auf einem Substrat 1 übereinander angeordnet sind. Die Isolierschicht 3 und die supraleitende Schicht 4 sind teilweise aufgeschnitten, um so einen Teil der supraleitenden Schicht 2 freizulegen, wobei ein Paar Elektroden 5a und 5b auf dem freiliegenden Abschnitt der supraleitenden Schicht 2 und der verbleibenden supraleitenden Schicht 4 angeordnet sind.
- Jede der supraleitenden Schichten 2 und 4 besteht aus YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x und weist eine Dicke in der Grössenordnung von 1000 Å bis 3000 Å (10 Å = 1 nm) auf. Andererseits besteht die Isolierschicht 3 aus Y&sub2;Ba&sub1;Cu&sub1;O5-y mit einer Dicke von 50 Å bis 100 Å. Die supraleitende Schicht 2, die Isolierschicht 3 und die supraleitende Schicht 4 bilden einen SIS- Aufbau mit Josephson-Übergang.
- Das oben beschriebene Josephson-Bauelement kann wie folgt hergestellt werden.
- Die erste supraleitende Schicht 2 wird auf der (001)-Ebene eines SrTiO&sub3;-Einkristalls mittels Hochfrequenzzerstäubung abgeschieden. Das Target besteht aus pulverförmigen Carbo naten von Y und Ba sowie aus pulverförmigem Oxid aus Cu, deren Mischungsverhältnis zu einer abgeschiedenen Schicht der Zusammensetzung YBa&sub2;Cu&sub3;O7-y führt. Die Zerstäubung wird unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Substrattemperatur 600ºC, Abscheiderate 5 Å/sec und eine Hochfrequenzleistung von 600 W. Diese Zerstäubung wird solange kontinuierlich durchgeführt, bis die supraleitende Schicht 2 mit einer. Dicke von 1000 Å bis 3000 Å abgeschieden ist. Zusätzlich werden während des Zerstäubungsprozesses Sauerstoff und Sauerstoffionen auf das Substrat geblasen mit Hilfe einer Sauerstoffdüse und einer Sauerstoffionenkanone, um die Oxidation der abgeschiedenen Schicht zu erleichtern.
- Eine derart abgeschiedene Schicht aus YBa&sub2;Cu&sub3;O7-y wurde mittels der Röntgenbeugungsmethode analysiert. Dabei wurden nur (00 m)-Beugungspeaks, die zu einer (001) Orientierung gehören, beobachtet. Dies bedeutet eine Bestätigung, dass die ausgebildete Schicht eine Kristallschicht mit einer (001)-Orientierung ist.
- Nach der Abscheidung der supraleitenden Schicht 2 mit einer Dicke von 1000 Å bis 3000 Å wird die Isolierschicht 3 abgeschieden. Die Abscheidebedingungen für die Isolierschicht 3 sind die gleichen wie diejenigen für die supraleitende Schicht 2, wobei jedoch ein Target verwendet wird, das zusammengesetzt ist aus pulverförmigem Carbonat der beiden Elemente Y und Ba und pulverförmigem Oxid des Cu mit einem veränderten Mischungsverhältnis, so dass die abgeschiedene Schicht die Zusammensetzung Y&sub2;Ba&sub1;Cu&sub1;O5-y aufweist. Dadurch wird eine Isolierschicht 3 aus YBa&sub1;Cu&sub1;O5-y mit einer Dicke von 50 Å bis 100 Å auf der supraleitenden Schicht 2 aus YBa&sub2;Cu&sub3;O7-y gebildet. Während dieses Zerstäubungsverfahrens für die Isolierschicht 3 werden ebenfalls Sauerstoff und Sauerstoffionen auf das Substrat geblasen mittels einer Sauerstoffdüse und einer Sauerstoffionenkanone, um so die Oxidation der abgeschiedenen Schicht zu erleichtern.
- Auf der derart ausgebildeten Isolierschicht wird die zweite supraleitende Schicht 3 mit einer Dicke von 1000 Å bis 3000 Å abgeschieden. Bei diesem Herstellungsverfahren für die zweite supraleitende Schicht 3 wird das Target, welches die Ausbildung einer abgeschiedenen Schicht mit der Zusammensetzung YBa&sub2;Cu&sub3;O7-y ermöglicht, erneut verwendet und das Zerstäuben unter den gleichen Bedingungen durchgeführt mit ähnlicher Sauerstoffzufuhr.
- Damit kann ein Josephson-Bauteil mit Tunnelübergang in einem kontinuierlichen Verfahren hergestellt werden ohne Unterbrechung des Vakuums einer Zerstäuberanlage, wobei vorab innerhalb der Zerstäuberanlage ein Target eingesetzt wird, welches die Abscheidung einer Schicht mit der Zusammensetzung YBa&sub2;Cu&sub3;O7-y ermöglicht, sowie ein weiteres Target eingesetzt wird, welches die Abscheidung einer Schicht mit der Zusammensetzung Y&sub2;Ba&sub1;Cu&sub1;O5-y ermöglicht und durch wahlweise Verwendung eines dieser beiden Targets.
- Die derart gebildete geschichtete Struktur, die aus den supraleitenden Schichten und der Isolierschicht zur Ausbildung eines SIS-Tunnelübergangs besteht, wird stellenweise einer Trockenätzung unterworfen, bis die untere supraleitende Schicht teilweise freigelegt ist, wonach Au auf die beiden supraleitenden Schichten derart aufgedampft wird, dass Elektroden auf der oberen Oberfläche sowohl des freigelegten Abschnitts der unteren supraleitenden Schicht 2 als auch der verbleibenden oberen Schicht 4 gebildet werden. Damit wird das in Fig. 1 dargestellte Josephson- Bauteil mit Tunnelübergang erhalten.
- Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der gemessenen Spannungs-/Stromeigenschaften des Josephson-Bauteils mit Tunnelübergang, das mit dem oben erwähnten erfindungsgemässen Verfahren hergestellt worden ist. Die Messung wurde bei einer Temperatur von 4,2 K durchgeführt.
- Fig. 2 zeigt, dass ein durch das Josephson-Device mit Tunnelübergang fliessender Strom in der Nähe von 11 mV entsprechend einer Energielücke sich stark ändert. Dadurch wird bestätigt, dass es sich um ein Bauelement mit ausgezeichnetem Josephson-Tunnelübergang handelt.
- Wie oben erwähnt, besteht bei dem erfindungsgemässen beanspruchten Josephson-Bauelement die Isolierschicht aus einem Verbundoxid, welches die gleichen Bestandselemente aufweist wie das supraleitende Verbundoxidmaterial. Dies führt zu einem ausgezeichneten Übergang an der Berührungsfläche zwischen jeder supraleitenden Schicht und der Isolierschicht.
- Während des Herstellungsverfahrens absorbiert die Isolierschicht kein Sauerstoff aus den supraleitenden Verbundoxidschichten, da die Isolierschicht selbst aus einem Verbundoxid besteht, wodurch die Qualität der supraleitenden Schicht nicht beeinträchtigt wird.
- Das beanspruchte erfindungsgemässe Josephson-Bauelement besteht also aus einem supraleitenden Verbundoxidmaterial mit einer hohen kritischen Temperatur, wodurch es möglich ist, derartige Josephson-Bauteile in wirtschaftlicher Weise einzusetzen.
- Die Erfindung wurde zwar im Zusammenhang mit einem besonderen Ausführungsbeispiel beschrieben, jedoch sei betont, dass sie keinesfalls auf die beschriebenen und dargestellten Einzelheiten des Aufbaus beschränkt ist, sondern dass Veränderungen innerhalb des durch die beigefügten Ansprüche gegebenen Schutzbereichs möglich sind.
Claims (8)
1. Geschichtetes SIS Josephson-Bauelement mit Tunnelübergang,
welches ein Paar supraleitender Oxidschichten aus YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x
und eine zwischen den beiden supraleitenden Oxidschichten
angeordnete Isolierschicht aufweist, wobei alle Schichten
eine kontinuierliche Struktur besitzen und wobei die
Isolierschicht aus Y&sub2;Ba&sub1;Cu&sub1;O5-Y oder Y&sub1;Ba&sub3;Cu&sub2;Oz besteht, welche
die gleichen Bestandselemente aufweisen wie diejenigen des
supraleitenden Verbundoxidmaterials der supraleitenden
Oxidschichten, jedoch mit einem Atomverhältnis ohne
supraleitende Eigenschaften und wobei die Isolatorschicht
eine Dicke von 2 · 10&supmin;&sup9; (20 Å) bis 10&supmin;&sup8; m (100 Å) besitzt.
2. Josephson-Bauelement mit Tunnelübergang nach Anspruch
1, bei dem jede der beiden supraleitenden Schichten
eine Dicke von 10&supmin;&sup7; m (1000 Å) bis 3 · 10&supmin;&sup7; m (3000 Å)
besitzt.
3. Josephson-Bauelement mit Tunnelübergang nach einem der
Ansprüche 1 bis 2, bei dem eine der beiden
supraleitenden Schichten auf einem SrTiO&sub3;-
Einkristallsubstrat oder einem MgO-Einkristallsubstrat
ausgebildet ist.
4. Verfahren zur Herstellung eines Josephson-Bauelements
mit Tunnelübergang, welches ein Paar supraleitender
Oxidschichten aus YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x aufweist und eine zwischen
den beiden supraleitenden Schichten angeordnete
Isolierschicht aufweist, wobei alle Schichten eine
kontinuierliche Struktur besitzen und die
Isolierschicht eine Dicke von 2 · 10&supmin;&sup9; m (20 Å) bis 10&supmin;&sup8; m
(100 Å) besitzt und aus Y&sub2;Ba&sub1;Cu&sub1;O5-y oder Y&sub1;Ba&sub3;Cu&sub2;Oz
besteht, welche die gleichen Bestandselemente
aufweisen wie diejenigen des supraleitenden
Verbundoxidmaterials der supraleitenden Schichten und
wobei die supraleitenden Schichten und die
Isolierschicht kontinuierlich unter Sauerstoffzufuhr
ausgebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem jede der beiden
supraleitenden Schichten durch eine physikalische
Abscheidung ausgebildet wird unter Verwendung eines
Targets, das eine Zusammensetzung aufweist, welche die
Ausbildung einer Supraleitfähigkeit aufweisenden
abgeschiedenen Schicht ermöglicht und wobei die
Isolierschicht durch eine physikalische Abscheidung
ausgebildet wird unter Verwendung eines Targets, das
eine Zusammensetzung aufweist, die die Ausbildung
einer isolierenden abgeschiedenen Schicht ermöglicht.
6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem jede der beiden
supraleitenden Schichten durch eine physikalische
Abscheidung ausgebildet wird unter Verwendung eines
Targets, das zusammengesetzt ist aus pulverförmigem
Carbonat der beiden Elemente Y und Ba und einem
pulverförmigen Oxid des Cu mit einem derartigen
Mischungsverhältnis, dass eine abgeschiedene Schicht
die Zusammensetzung YBa&sub2;Cu&sub3;O7-y aufweist und wobei die
Isolierschicht durch eine physikalische Abscheidung
ausgebildet wird unter Verwendung eines Targets, das
aus pulverförmigem Carbonat der beiden Element Y und
Ba und einem pulverförmigen Oxid des Cu
zusammengesetzt ist mit einem derartigen
Mischungsverhältnis, dass eine abgeschiedene Schicht
die Zusammensetzung Y&sub2;Ba&sub1;Cu&sub1;O5-y aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem
die Isolierschicht derart ausgebildet wird, dass sie
eine Dicke von 2 · 10&supmin;&sup9; m (20 Å) bis 10&supmin;&sup8; m (100 Å)
aufweist, während jede der beiden supraleitenden
Schichten derart ausgebildet wird, dass sie eine Dicke
von 10&supmin;&sup7; m (1000 Å) bis 3 · 10&supmin;&sup7; m (3000 Å) aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem
eine der beiden supraleitenden Schichten auf einem
SrTiO&sub3;-Einkristallsubstrat oder einem MgO-
Einkristallsubstrat ausgebildet wird.
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