Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein supraleitendes
Quanteninterferometer (das in der Patentschrift "SQUID" genannt
wird), und insbesondere ein derartiges SQUID, das einen
supraleitenden Strompfad aufweist, der aus einer oxidischen
supraleitenden Dünnschicht in Form eines einzelnen Musters
besteht. Ein derartiges Bauelement ist aus Appl. Phys. Lett.,
Band 57(7), 13. August 1990, Seiten 727 bis 729 bekannt.
Beschreibung des Stand der Technik
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Unter elektrischen Bauelementen, welche das
Supraleitungsphänomen nutzen, ist das SQUID eines der Bauelemente, deren
Umsetzung in der Praxis am weitesten fortgeschritten ist.
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Das SQUID besteht aus einem geschlossenen supraleitenden
Strompfad, in den ein oder zwei schwache Übergänge eingefügt
sind. Ein supraleitender Strom, der durch den geschlossenen
supraleitenden Strompfad fließt, kann einen kritischen Strom
des schwachen Übergangsabschnitts nicht übersteigen, weshalb
eine Stromdichte in dem geschlossenen supraleitenden
Strompfad extrem klein ist. Die Bewegungsenergie von Cooper-
Paaren, die in dem supraleitenden Strompfad vorhanden sind,
ist deshalb klein, und andererseits ist die Wellenlänge einer
entsprechenden Elektronenwelle extrem lang. Infolge davon
kann davon ausgegangen werden, daß die Phase in
unterschiedlichen Abschnitten innerhalb des supraleitenden Strompfads
dieselbe ist. Wenn ein Magnetfeld an diesen supraleitenden
Strompfad angelegt wird, tritt jedoch eine Phasendifferenz in
dem supraleitenden Strompfad auf. Unter Verwendung dieses
einmaligen Phänomens kann das SQUID als Magnetsensor mit
extrem hoher Empfindlichkeit verwendet werden.
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Tatsächlich ist das SQUID bereits nicht nur auf dem
elementaren Gebiet der Messung für ein Magnetisierungsmeßgerät, ein
NMR, ein magnetisches Thermometer usw. verwendet worden,
sondern auch auf dem medizinischen Gebiet für einen magnetischen
Kardiographen, einen Elektroenzephalographen, einen
magnetischen Abtaster usw., und auf dem Gebiet der Geowissenschaften
zur Beobachtung des Geomagnetismus, zur Vorhersage von
Erdbeben und zum Rohstoffprospektieren usw.
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Andererseits wird das im Stand der Technik bekannte
supraleitende Material nur bei extrem niedrigen Temperaturen, nicht
großer als die Temperatur flüssigen Heliums zu einem
Supraleiter, weshalb nicht in Betracht gezogen wurde, das
supraleitende Material praktisch anzuwenden. Seit 1986 entdeckt
wurde, daß gesintertes Verbundoxidmaterial, wie etwa (La,
Ba)&sub2;CuO&sub4; oder (La, Sr)&sub2;CuO&sub4; ein Supraleitermaterial ist, das
eine hohe kritische Temperatur (Tc) hat, hat sich jedoch
herumgesprochen, daß ein Verbundoxid, wie etwa ein Verbundoxid
vom Y-Ba-Cu-O-Typ oder ein Verbundoxid vom Bi-Ca-Sr-Cu-O-Typ
supraleitende Eigenschaften bei einer extrem hohen Temperatur
aufweist. Dieses Material, das die supraleitenden
Eigenschaften bei der hohen Temperatur aufweist, erlaubt die Verwendung
kostengünstigen flüssigen Stickstoffs als Kühlmittel, und die
Anwendung der Supraleitungstechnik ist schlagartig als
nutzbare Technik untersucht worden.
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Wenn der oxidische Supraleiter in dem SQUID verwendet wird,
wird deshalb erwartet, daß die Verbreitung des SQUID
gefördert wird, das bislang in den vorstehend genannten
unterschiedlichen Gebieten verwendet wurde. Das aktuell aus dem
oxidischen Supraleiter gebildete SQUID zeigt jedoch internes
Rauschen, das durch das SQUID selbst erzeugt wird, weshalb es
nur eine sehr geringe Empfindlichkeit aufweisen kann. Wenn
das SQUID als Sensor verwendet wird, ist es möglich, externes
Rauschen durch Verwenden eines hochgradigen Gradiometers zu
beseitigen; es ist jedoch schwierig, internes Rauschen zu
beseitigen. Aufgrund dessen ist es schwierig, das aus einem
oxidischen Supraleiter aufgebaute SQUID als hochempfindlichen
Sensor mit niedrigem Rauschen zu verwenden.
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Appl. Phys. Lett., Band 56(7), (12. Februar 1990, Seiten 686
bis 688; R.B. Laibowitz et al.: "All High Tc Edge Junctions
and SQUIDs") offenbart ein Mehrpegel-SQUID, das eine schwache
Übergangsstruktur vom Randübergangs-Typ aufweist, die
zwischen dem Rand der Basiselektrode und der Zählerelektrode
gebildet ist. In dieser Druckschrift werden beide Elektroden,
die Basis- und Zählerelektroden epitaktisch auf dasselbe
Substrat mit ihren c-Achsen senkrecht zum Substrat verlaufend
aufgewachsen.
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Appl. Phys. Lett., Band 57(10) (3. September 1990, Seiten
1064 bis 1066; R. Ramesh et al.: "Structural Perfection of
Y-Ba-Cu Thin Films Controlled by the Growth Mechanism") zeigt
die Bildung einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht,
deren c-Achse parallel zur Oberfläche der Ebene verläuft.
Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb
darin, ein neuartiges, aus einem oxidischen
Supraleitermaterial bestehendes SQUID zu schaffen, das den vorstehend
genannten Nachteil des herkömmlichen SQUID überwindet und
niedriges Rauschen zeigt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein SQUID
bereitgestellt, mit einem Substrat und mit einem supraleitenden
Strompfad, der aus einer oxidischen supraleitenden
Dünnschicht in Form eines einzelnen Musters besteht und die auf
einer Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, wobei die c-
Achse der oxidischen supraleitenden Dünnschicht parallel zur
Substratoberfläche orientiert ist, wobei das Substrat eine
Stufe auf der Abscheideoberfläche aufweist und wobei die
oxidische supraleitende Dünnschicht die Gestalt einer
geschlossenen, die Stufe kreuzenden Schleife aufweist, wobei ein
Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf der
Stufe polykristallin ist und einen schwachen Übergang bildet.
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Wie aus Vorstehendem hervorgeht, ist das SQUID in
Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung unter anderem dadurch
gekennzeichnet, daß die c-Achse des oxidischen Kristalls der
oxidischen supraleitenden Dünnschicht, die den supraleitenden
Strompfad bildet, parallel zur Oberfläche des Substrats
orientiert ist.
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Es ist bekannt, daß übliche oxidische supraleitende
Materialien, wie etwa oxidisches Supraleitermaterial vom Kupferoxid-
Typ mit hoher Tc, typisiert durch supraleitendes Verbundoxid
vom Y-Ba-Cu-O-Typ, supraleitendes Verbundoxid vom Bi-Sr-Ca-
Cu-O-Typ und supraleitendes Verbundoxid vom Tl-Ba-Ca-Cu-O-Typ
eine deutliche Anisotropie ihrer Kristallstruktur aufweisen,
betreffend Eigenschaften einschließlich einer kritischen
Stromdichte und dergleichen.
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Beispielsweise erlaubt das typische supraleitende Verbundoxid
vom Y-Ba-Cu-O-Typ, daß ein größerer supraleitender Strom in
einer Richtung senkrecht zu einer c-Achse des Kristalls als
in einer Richtung der c-Achse des Kristalls fließt. Wenn das
SQUID aus der oxidischen supraleitenden Dünnschicht gebildet
ist, war es deshalb, weil der supraleitende Strom des SQUID
parallel zum Substrat fließt, übliche Praxis eine oxidische
supraleitende Dünnschicht zu verwenden, deren c-Achse
senkrecht zum Substrat orientiert ist.
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Eine Untersuchung der Arbeitsweise des vorstehend genannten
herkömmlichen SQUID hat jedoch im einzelnen erbracht, daß im
Fall des oxidischen Supraleiters eine Magnetflußwanderung
innerhalb einer Ebene senkrecht zu der c-Achse des Kristalls
groß ist, weshalb das Rauschen des SQUID ziemlich groß wird.
Unter Berücksichtigung der Funktion des SQUID ist es
andererseits erforderlich, dafür zu sorgen, daß ein großer Strom
fließt. Infolge davon wurde geschlossen, daß es erforderlich
ist, den supraleitenden Strompfad zu bilden, indem der Größe
eines Pinning-Effekts große Bedeutung beigemessen wird. Die
vorliegende Erfindung ist auf der Grundlage dieser Erkenntnis
gemacht worden.
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Bei dem vorstehend genannten SQUID gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die c-Achse des oxidischen Kristalls der
oxidischen supraleitenden Dünnschicht, welche den supraleitenden
Pfad bildet, parallel zu der Oberfläche des Substrats
orientiert. Der supraleitende Strompfad, der aus einer derartigen
oxidischen supraleitenden Dünnschicht gebildet ist, hat eine
ziemlich niedrige kritische Stromdichte, jedoch eine geringe
Flußwanderung. Deshalb kann er ein SQUID mit niedrigem
Rauschen verwirklichen.
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Die vorliegende Erfindung kann auf ein SQUID angewendet
werden, das aus einer beliebigen oxidischen supraleitenden
Dünnschicht mit Anisotropie gebildet ist. Beispielsweise kann die
vorliegende Erfindung nicht nur auf das SQUID angewendet
werden, das aus einer supraleitenden Verbundoxid-Dünnschicht vom
Y-Typ gebildet ist, sondern auch auf SQUIDs, die aus einer
supraleitenden Verbundoxid-Dünnschicht eines anderen
Kupferoxid-Typs mit Anisotropie eines Pinning-Effekts gebildet ist,
einschließlich einer sogenannten supraleitenden Verbundoxid-
Dünnschicht vom Bi-Typ und einer sogenannten supraleitenden
Verbundoxid-Dünnschicht vom Tl-Typ.
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Ein bevorzugtes Substrat, auf welchem das vorstehend genannte
SQUID gebildet ist, weist einen MgO-Einkristall, einen
SrTiO&sub3;-Einkristall, einen LaAlO&sub3;-Einkristall, einen LaGaO&sub3;-
Einkristall, einen Al&sub2;O&sub3;-Einkristall und einen
ZrO&sub2;-Einkristall auf.
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Beispielsweise kann die oxidische supraleitende Dünnschicht,
deren c-Achse parallel zum Substrat orientiert ist, unter
Verwendung von beispielsweise einer (100)-Oberfläche eines
MgO-Einkristallsubstrats, einer (110)-Oberfläche eines
SrTiO&sub3;-Einkristallsubstrats und einer (001)-Oberfläche eines
CdNdAlO&sub4;-Einkristallsubstrats als Abscheidungsoberfläche
abgeschieden werden, auf welcher die oxidische supraleitende
Dünnschicht abgeschieden ist.
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Außerdem kann die oxidische supraleitende Dünnschicht, deren
c-Achse parallel zum Substrat orientiert ist, bevorzugt durch
Halten eines Substrats auf einer Temperatur abgeschieden
werden, die niedriger ist als die Substrattemperatur, die es
erlaubt, daß eine abgeschiedene Schicht eine c-Achse senkrecht
zu dem Substrat hat, durch eine Temperaturdifferenz innerhalb
eines Bereichs von 10ºC bis 10000, und besonders bevorzugt im
Bereich von mehreren 1000 bis 10000.
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Bei einet Ausführungsform ist der schwache Übergang des SQUID
aus einem Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht
gebildet, der unmittelbar auf einem Stufenabschnitt des
Substrats gebildet ist. Die Höhe dieser Stufe kann frei von
einem Bereich von 80 nm bis 300 nm (800 Å bis 3.000 Å)
gebildet werden. Um sicherzustellen, daß der schwache Übergang aus
dem Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht
gebildet ist, der unmittelbar auf dem Stufenabschnitt des
Substrats angeordnet ist, muß die Dicke der oxidischen
supraleitenden Dünnschicht geeignet gewählt werden. Wenn die Dicke
der oxidischen supraleitenden Dünnschicht im Vergleich zur
Höhe der Stufe des Substrats zu dünn ist, würde die oxidische
supraleitende Dünnschicht am Stufenabschnitt des Substrats
zerbrechen. Wenn andererseits die Dicke der oxidischen
supraleitenden Dünnschicht im Vergleich zur Höhe der Stufe des
Substrats zu dick ist, könnte der schwache Übergang nicht aus
dem Abschnitt der oxidischen supraleitenden Dünnschicht
gebildet werden, der unmittelbar auf der Stufe des Substrats
angeordnet ist. In dem Fall, daß der Stufenabschnitt eine
Höhe von 100 nm (1.000 Å) aufweist, beträgt die Dicke der
oxidischen supraleitenden Dünnschicht, die den supraleitenden
Strompfad bildet, bevorzugt in der Größenordnung von 50 nm
bis 500 nm (500 k bis 5.000 Å). Außerdem kann die oxidische
supraleitende Dünnschicht, die den supraleitenden Strompfad
bildet, durch eine physikalische Abscheidung oder eine
chemische Abscheidung gebildet werden, wobei beide
Abscheidungstechniken dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik geläufig
sind. Insbesondere kann Sputtern oder Ionenplatieren
vorteilhaftweise verwendet werden.
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Die vorstehend genannten sowie weitere Aufgaben, Merkmale und
Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der
folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung in
bezug auf die beiliegenden Zeichnungen. Es wird jedoch
bemerkt, daß die folgende Offenbarung lediglich eine
Ausführungsform betrifft, um das Verständnis der vorliegenden
Erfindung zu fördern, daß die Erfindung jedoch in keinster
Weise auf die Einzelheiten der dargestellten Strukturen
beschränkt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 zeigt eine schematische Draufsicht des
erfindungsgemäßen SQUID; und
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Figur 2 zeigt eine extrem übertriebene schematische
perspektivische Ansicht des Substrats, auf welchem die oxidische
supraleitende Dünnschicht gebildet ist, die den supraleitenden
Strompfad bildet.
Beschreibung einer Ausführungsform
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In Figur 1 ist eine Draufsicht des erfindungsgemäßen SQUID
schematisch gezeigt. Bei dem in Figur 1 gezeigten SQUID
handelt es sich um ein Gleichstrom-SQUID, das einen
supraleitenden Strompfad 20 aufweist, der aus einer gemusterten bzw.
strukturierten oxidischen supraleitenden Dünnschicht gebildet
ist, die auf einem Substrat 10 abgeschieden ist. Der
supraleitende Strompfad 20 hat die Form einer geschlossenen
Schleife, wie gezeigt, und ein Paar von schwachen
Verknüpfungen 2A und 2B, die so angeordnet sind, daß sie sich in der
geschlossenen Schleife gegenüberliegen.
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Im gezeigten Beispiel ist das Substrat 10 aus einem
monokristallinen SrTiO&sub3;-Substrat gebildet, das als
Abscheidungsoberfläche die (110)-Ebene hat. Die oxidische supraleitende
Dünnschicht, die den supraleitenden Strompfad bildet, ist aus
einer (110)-orientierten oxidischen supraleitenden
Dünnschicht vom Y-Ba-Cu-O-Typ gebildet.
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Das SQUID mit dem vorstehend genannten Aufbau wurde wie folgt
hergestellt:
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Ein (110)-SrTiO&sub3;-Substrat wurde durch einen Ionenstrahl so
geformt, daß es eine Stufe 30 mit einer Höhe von 100 nm
(1.000 Å) aufweist, wie in Figur 2 übertrieben gezeigt. Die
Stufe 30, die durch die Linie A-A in Figur 1 schematisch
gezeigt ist, bildet das Paar von schwachen Übergängen 2A und
2B, wenn der geschlossene supraleitende Strompfad aus der
oxidischen supraleitenden Dünnschicht gebildet ist. Die Höhe
dieser Stufe ist nicht auf 100 nm (1.000 Å) beschränkt,
sondem kann frei aus dem Bereich von 80 nm bis 300 nm (800 Å
bis 3.000 Å), wie vorstehend angeführt, gewählt werden.
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Die oxidische supraleitende Dünnschicht wurde auf dem derart
geformten Substrat durch Sputtern abgeschieden.
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-Die Abscheidungsbedingung für das Sputtern ist wie folgt:
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Targetmischung aus Y-Ba-Cu-Oxiden mit einem
Atomverhältnis Y:Ba:Cu = 1,0:2,0:2,6
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Substrattemperatur : 550ºC
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Sputtergas: . Gasgemisch aus Ar und O&sub2;
(O&sub2;/Ar+O&sub2;) = 0,2
(Volumenverhältnis)
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Sputterdruck : 6,65 Pa (50 mTorr)
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Abscheidungsge -schwindigkeit : 1 nm/Minute (10 Å/min)
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Dünnschichtdicke : 400 nm (4.000 Å)
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Daraufhin wird die abgeschiedene oxidische supraleitende
Dünnschicht in die Form einer quadratischen geschlossenen
Schleife unter Verwendung von Salpetersäure als Ätzmittel
strukturiert. Die strukturierte quadratische geschlossene
Schleife hat ein inneres Quadrat von 100 µm x 100 µm und eine
Linienbreite von 10 µm.
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Andererseits wird die oxidische supraleitende Dünnschicht vom
Y-Ba-Cu-O-Typ, die auf der Stufe 30 des Substrats
abgeschieden ist, polykristallin. Die strukturierte oxidische
supraleitende Dünnschicht vom Y-Ba-Cu-O-Typ auf der Stufe 30 wurde
außerdem durch Ionenätzen so geätzt, daß ein Paar von
schmalen Abschnitten 2A und 2B, jeweils mit einer Länge von 5 µm
und einer Breite von 5 µm in der quadratischen geschlossenen
Schleife des supraleiteden Strompfads gebildet werden. Das
Paar von schmalen Abschnitten 2A und 2B bildet ein Paar von
schwachen Übergängen.
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Das derart gebildete SQUID wurde durch ein Verfahren mit
geschlossener bzw. verriegelter Flußschleife untersucht. Die
Frequenzabhängigkeit der Energieauflösung des SQUID bei 77 K
ist wie folgt. Im folgenden zeigen die in Klammer gesetzten
Werte die Eigenschaften des SQUID, das aus der
c-achsenorientierten Dünnschicht gebildet ist.
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Wie aus Vorstehendem hervorgeht, hat das aus der (110)
-orientierten Dünnschicht gebildete SQUID eine Energieauflösung,
die im Vergleich zu dem SQUID, das aus der
c-achsenorientierten Dünnschicht gebildet ist, um etwa das Zehnfache
verbessert ist.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, kann das
erfindungsgemäße SQUID niedriges Rauschen aufweisen, das für
das SQUID eigentümlich ist.
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Da das erfindungsgemäße SQUID außerdem aus einem oxidischen
Supraleiter vom Kupferoxid-Typ mit hoher Tc gebildet ist,
kann es durch flüssigen Stickstoff gekühlt werden. Die
vorliegende Erfindung ist deshalb sehr wirksam zur Förderung der
Verbreitung des SQUID.
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Die Erfindung wurde in bezug auf die spezielle
Ausführungsform dargestellt und erläutert. Es wird bemerkt, daß die
vorliegende Erfindung jedoch in keinster Weise auf die
Einzelheiten der dargestellten Strukturen beschränkt ist, sondern
Änderungen und Modifikationen im Umfang der beiliegenden
Ansprüche zugänglich ist.