Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem
Josephson-Übergang, die aus einem oxidischen supraleitenden
Material gebildet ist und ein Verfahren zum Fertigen der
Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang, und insbesondere eine
Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang aus einem oxidischen
Supraleiter, bei welchem eine Barriere aus einer schwachen
Verbindung bzw. Verknüpfung aus einer Korngrenze besteht, und ein
Verfahren zum Fertigen der Vorrichtung mit einem Josephson-
Übergang.
Beschreibung des Standes der Technik
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Bei einer Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang handelt es
sich um eine von supraleitenden Vorrichtungen, die in
verschiedenen Strukturen realisiert werden können. Unter den
verschiedenen Strukturen ist die in der Praxis am stärksten bevorzugte
Struktur ein gestapelter bzw. übereinander angeordneter
Übergang, der durch eine dünne nicht supraleitende Schicht
realisiert ist, die zwischen einem Paar von Supraleitern
sandwichartig angeordnet ist. Ein Übergang vom Punktkontakt-Typ, ein
Übergang vom Dayem-Brücken-Tvp und ein Übergang vom Brücken-Typ
variabler Dicke, bestehen jedoch aus einem Paar von
supraleitenden Bereichen, die miteinander schwach verknüpft sind, um
einen Josephson-Effekt zu zeigen. Üblicherweise haben diese
Josephson-Übergänge feine Strukturen, in welchen der
Supraleiter und/oder der Nicht-Supraleiter aus Dünnschichten bestehen.
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Um einen Übergang vom gestapelten TvP unter Verwendung eines
oxididischen Supraleiters zu realisieren, werden eine erste
oxidische supraleitende Dünnschicht, eine nicht-supraleitende
Dünnschicht und eine zweite oxidische supraleitende Dünnschicht
auf einem Substrat in der genannten Abfolge übereinander
angeordnet.
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Bei dem vorstehend genannten Übergang vom gestapelten Typ
werden ein MgO-Isolator usw., ein Si-Halbleiter usw. und ein Au-
Metall usw. für die nicht-supraleitenden Schichten derart
verwendet, daß jeder supraleitende Übergang für jede Anwendung
unterschiedliche Eigenschaften hat.
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Die Dicke der nicht-supraleitenden Schicht des Übergangs vom
gestapelten Typ wird durch die Kohärenzlänge des Supraleiters
bestimmt. Üblicherweise muß die Dicke der nicht-supraleitenden
Schicht des Übergangs vom gestapelten Typ innerhalb einem
geringen Mehrfachen der Kohärenzlänge des Supraleiters liegen. Da
die oxidischen supraleitenden Materialien andererseits eine
sehr kurze Kohärenzlänge haben, muß eine Dicke einer
nicht-supraleitenden Schicht etwa wenige Nanometer betragen.
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Die supraleitenden Schichten und die nicht-supraleitende
Schicht des Übergangs vom gestapelten Typ müssen jedoch eine
hohe Kristallinität für gunstige Übergangseigenschaften
aufweisen, die aus Einkristallen oder aus Polykristallen bestehen,
die in nahezu derselben Richtung orientiert sind. Es ist
schwierig, eine extrem dünne und hochgradig kristalline nicht-
supraleitende Schicht auf einer oxidischen supraleitenden
Schicht anzuordnen. Außerdem ist es schwierig, eine hochgradig
kristalline oxidische supraleitende Schicht auf der
nicht-supraleitenden Schicht anzuordnen, die auf einer oxidischen
supraleitenden Schicht angeordnet ist. Obwohl die gestapelte
Struktur mit einer ersten oxidischen supraleitenden Schicht,
einer nicht-supraleitenden Schicht und einer zweiten oxidischen
supraleitenden Schicht realisiert ist, liegen die Grenzflächen
zwischen den oxidischen supraleitenden Schichten und der nicht-
supraleitenden Schicht nicht in gutem Zustand vor, so daß der
Übergang vom gestapelten Typ nicht brauchbar arbeitet.
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Um einen Übergang vom Punktkontakt-Typ, einen Übergang vom
Dayem-Brücken-Typ und einen Übergang vom Brücken-Typ variabler
Dicke unter Verwendung eines oxidischen Supraleiters
herzustellen, sind sehr feine Verarbeitungen erforderlich, die eine
schwache Verknüpfung eines Paars von Supraleitern realisieren.
Es ist sehr schwierig, eine feine Verarbeitung mit guter
Wiederholbarkeit durchzuführen.
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Der Übergang vom Punktkontakt-Typ ist aus zwei oxidischen
supraleitenden Dünnschichten gebildet worden, die in Kontakt
miteinander in einem extrem kleinen Bereich stehen, der die
schwache Verknüpfung des Josephson-Übergangs bildet.
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Der Übergang vom Dayem-Brücken-Typ ist aus einer oxidischen
supraleitenden Dünnschicht konstanter Dicke gebildet worden, die
auf einem Substrat gebildet ist, und die in Draufsicht so
strukturiert ist, daß ein supraleitender Dünnschichtbereich mit
einer sehr schmalen Breite zwischen einem Paar von
supraleitenden Dünnschichtbereichen gebildet ist, die eine ausreichende
Breite haben. Mit anderen Worten sind das Paar von
supraleitenden Dünnschichtbereichen mit ausreichender Breite miteinander
durch einen supraleitenden Dünnschichtbereich verbunden bzw.
gekoppelt, der eine sehr schmale Breite hat. Eine schwache
Verknüpfung des Josephson-Übergangs in der supraleitenden
Dünnschicht wird insbesondere an dem sehr schmalen Breitenbereich
gebildet.
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Andererseits ist der Übergang vom Brücken-Typ variabler Dicke
aus einer oxidischen supraleitenden Dünnschicht ausreichender
Dicke gebildet worden, die auf einem Substrat gebildet ist, und
die teilweise in einer Dickenrichtung geätzt oder ausgedünnt
ist, so daß ein ausgedünnter oxidischer supraleitender
Dünnschichtabschnitt zwischen einem Paar von supraleitenden
Dünnschichtabschnitten
mit ausreichender Dicke gebildet ist. Mit
anderen Worten sind das Paar aus supraleitenden
Dünnschichtabschnitten mit der ausreichenden Dicke miteinander durch einen
ausgedünnten oxidischen supraleitenden Dünnschichtabschnitt
verbunden. Eine schwache Verknüpfung des Josephson-Übergangs
ist demnach an dem Abschnitt verringerter Dicke der oxidischen
supraleitenden Dünnschicht gebildet.
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Wie aus Vorstehendem hervorgeht, hat eine Eigenschaft bzw.
Kennlinie der Josephson-Vorrichtung eine enge Beziehung zu dem
Kontaktbereich der supraleitenden Dünnschicht in einer
Josephson-Vorrichtung vom Punktkontakt-Typ, zu der Breite des
supraleitenden Dünnschichtbereichs, die die extrem schmale
Breite in der Josephson-Vorrichtung vom Dayem-Brücken-Typ hat,
und zu der Dicke des ausgedünnten oxidischen supraleitenden
Dünnschichtabschnitts in der Josephson-Vorrichtung vom Brücken-
Typ variabler Dicke, wobei beide die schwache Verbindung des
Josephson-Übergangs bilden. Um eine gewünschte Eigenschaft bzw.
Kennlinie mit guter Wiederholbarkeit zu erhalten, ist deshalb
eine hohe Präzision auf einem Submikrometerniveau der
Verarbeitung, wie beispielsweise dem Ätzen, erforderlich.
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Von der Josephson-Vorrichtung vom Dayem-Brücken-Typ kann gesagt
werden, daß sie stärker bevorzugt ist als die
Josephson-Vorrichtung vom Brücken-Typ variabler Dicke, da die
Josephson-Vorrichtung vom Dayem-Brücken-Typ eine relativ ebenere Oberfläche
hat, was in einer integrierten Schaltung bevorzugt ist. Um die
schwache Verknüpfung der Josephson-Vorrichtung vom
Dayem-Brükken-Typ zu bilden, ist es jedoch erforderlich, eine oxidische
supraleitende Dünnschicht mit der Dicke in der Größenordnung
von 0,5 µm bis 1,0 µm in einer Breite nicht größer als 0,2 µm
zu strukturieren. Es ist jedoch sehr schwierig, diese feine
Strukturierung mit guter Wiederholbarkeit durchzuführen.
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Andererseits ist bei der Josephson-Vorrichtung vom Brücken-Typ
variabler Dicke die sehr feine Strukturierung nicht erforder
lich,
um die schwache Verknüpfung zu bilden. Es ist jedoch sehr
schwierig, die verbleibende Dicke des ausgedünnten Abschnitts,
der die schwache Verknüpfung bildet, gleichmäßig zu steuern.
Außerdem kann die Josephson-Vorrichtung vom Brücken-Typ
variabler Dicke von Natur aus keine ebenere Oberfläche haben. Dies
ist für die Anwendung bei einer integrierten Schaltung nicht
bevorzugt.
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Deshalb ist es beim Stand der Technik nahezu unmöglich, eine
supraleitende Vorrichtung bzw. ein supraleitendes Bauelement,
das mehrfache homogene Josephson-Übergänge aufweist, unter
Verwendung eines oxidischen Supraleiters herzustellen.
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Um die vorstehend genannten Probleme zu überwinden, ist eine
Josephson-Vorrichtung vom sogenannten Stufen-Typ im Stand der
Technik vorgeschlagen worden; z.B in Applied Physics Letters,
Band 59, Nr. 6, 5. August 1991, S. 733-735; K. CHAR et al.:
"Bi-epitaxial grain boundary functions in YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;". Eine
Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang dieses Typs weist ein
Substrat auf, das eine Stufe auf einer Hauptoberfläche und eine
oxidische supraleitende Dünnschicht aufweist, die auf der
Hauptoberfläche des Substrats gebildet ist. Die oxidische
supraleitende Dünnschicht hat eine Korngrenze an dem
Stufenabschnitt derart, daß die oxidische supraleitende Dünnschicht
zwei Teile oberhalb und unterhalb der Stufe trennt, die schwach
durch die Korngrenze verknüpft ist. Jeder der Teile bildet eine
supraleitende Elektrode, und die Korngrenze bildet eine
schwache Verknüpfung des Josephson-Übergangs. Deshalb bildet die
vorstehend genannte oxidische supraleitende Dünnschicht eine
Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang.
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Keine feine Verarbeitung, die erforderlich ist, um eine
Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang vom Punktkontakt-Typ,
eine Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang vom
Dayem-Brükken-Typ oder eine Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang vom
Brücken-Typ variabler Dicke herzustellen, ist erforderlich, um
die Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang vom Stufen-Typ
herzustellen. Kristalline Richtungen der zwei Teile der
oxidischen supraleitenden Dünnschicht werden jedoch mitunter
unterschiedlich voneinander, so daß eine zu große
Grenzflächenenergie und ein unnötiger elektrischer Widerstand an dem
Stufenabschnitt erzeugt werden, was die Eigenschaften bzw. Kennlinien
des Josephson-Übergangs zerstört. Es wird davon ausgegangen,
daß dieser Unterschied in den kristallinen Richtungen durch
eine Verformung der Kristallgitter einer geätzten Oberfläche
des Substrats hervorgerufen wird.
Zusammenfassung der Erfindung
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Demnach besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
eine Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang vom Stufen-Typ zu
schaffen, die aus einem oxidischen supraleitenden Material
besteht, die die vorstehend angeführten Nachteile der
herkömmlichen Vorrichtungen überwindet, und ein Verfahren zur
Herstellung einer Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang mit guter
Wiederholbarkeit durch Verwenden bereits etablierter
Verarbeitungstechniken.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung mit
einem Josephson-Übergang bereitgestellt, die ein Einkristall-
Substrat mit einer Hauptoberfläche aufweist, wobei eine
oxidische Schicht auf der Hauptoberfläche des Substrats mit einer
Stufe auf ihrer Oberseite ausgebildet ist, und wobei oxidische
supraleitende Dünnschichten und oxidische Dünnschichten
derselben Dicke abwechselnd auf der Oberseite der oxidischen Schicht
angeordnet sind, wobei jede oxidische supraleitende Dünnschicht
eine Stufe aufweist, derart, daß erste und zweite Abschnitte
der oxidischen supraleitenden Dünnschicht oberhalb bzw.
unterhalb der Stufe angeordnet sind, und wobei die ersten und
zweiten Abschnitte der oxidischen supraleitenden Dünnschicht aus
Einkristallen eines oxidischen Supraleiters bestehen mit
identischer Kristallorientierung, und wobei eine Korngrenze in der
Stufe aus der oxidischen Schicht eine schwache Verknüpfung bzw.
einen schwachen Übergang des Josephson-Übergangs bildet.
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Es ist bevorzugt, daß die Höhe der Stufe der oxidischen Schicht
gleich der Dicke der oxidischen supraleitenden Dünnschicht und
der oxidischen Dünnschicht ist. In diesem Fall können die
aneinander anschließenden oxidischen supraleitenden Dünnschichten
die Josephson-Übergänge bilden.
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Die oxidische Dünnschicht ist bevorzugt aus einem Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-
Oxid gebildet, und zwar aus den vorstehend erläuterten Gründen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der oxidische
Supraleiter aus einem oxidischen Supraleiter mit hoher Tc (hohe
kritische Temperatur) gebildet, insbesondere aus einem
Verbundoxid-Supraleiter vom Kupferoxid-Typ mit hoher Tc,
beispielsweise einem supraleitenden Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid, einem
supraleitenden Bi-Sr-Ca-Cu-O-Verbundoxid und einem
supraleitenden Tl-Ba-Ca-Cu-O-Verbundoxid.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird außerdem ein Verfahren
zum Herstellen einer Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang
bereitgestellt, aufweisend die Schritte: Bilden einer
oxidischen Schicht auf einer Hauptoberfläche des einkristallinen
Substrats, Ätzen eines Abschnitts der oxidischen Schicht
derart, daß eine Stufe auf der Oberfläche der oxidischen Schicht
gebildet wird, Bilden einer oxidischen supraleitenden
Dünnschicht auf der Oberfläche der oxidischen Schicht und einer
oxidischen Dünnschicht mit derselben Dicke wie diejenige der
oxidischen supraleitenden Dünnschicht auf der oxidischen
supraleitenden Dünnschicht, und Wiederholen des Bildens der
oxidischen supraleitenden Dünnschichten und der oxidischen
Dünnschichten derart, daß die oxidischen supraleitenden
Dünnschichten und die oxidischen Dünnschichten abwechselnd angeordnet
sind, und daß jede der oxidischen supraleitenden Dünnschichten
einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist, der oberhalb
bzw. unterhalb der Stufe der oxidischen Schicht angeordnet ist,
die aus Einkristallen des oxidischen Supraleiters gebildet
sind, und eine Korngrenze zwischen dem Paar von oberen und
unteren Abschnitten, die einen schwachen Übergang bzw. eine
schwache Verknüpfung des Josephson-Übergangs bildet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Stufe der
oxidischen Schicht so gebildet, daß ihre Höhe der Dicke der
oxidischen supraleitenden Dünnschichten und der oxidischen
Dünnschichten entspricht.
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Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
erschließen sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen der Erfindung in bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1A bis 1D zeigen schematische Ansichten zur Erläuterung
eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung mit einem
Josephson-Übergang vom Stufen-Typ;
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Fig. 2A bis 2G zeigen schematische Ansichten zur Verdeutlichung
einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der
Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang gemäß der vorliegenden
Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Unter bezug auf Fig. 1A bis 1D wird ein Verfahren zum
Herstellen einer Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang vom Stufen-
Typ erläutert.
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Wie in Fig. 1A gezeigt, wurde ein MgO(100)-Einkristall-Substrat
1 mit einer im wesentlichen planaren Hauptoberfläche ((100)-
Oberfläche) zubereitet. Bei dieser Ausführungsform hatte das
MgO-Substrat eine Größe von 15 mm x 8 mm und eine Dicke von 0,5
mm. Das MgO-Substrat 1 wurde auf eine Temperatur von 1100ºC
unter O&sub2;-Atmosphäre für 8 Stunden erwärmt, um seine Oberfläche zu
reinigen. Diese Wärmebehandlung war nicht notwendig, falls die
Oberfläche des MgO-Substrats 1 ausreichend rein war.
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Wie in Fig. 1B gezeigt, wurde eine Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht 3
mit einer Dicke von 200 nm auf dem MgO-Substrat durch Sputtern
gebildet. Die Bedingungen des Sputterprozesses waren wie folgt:
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Temperatur des Substrats: 750ºC
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Sputtergase: Ar 9 sccm
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O&sub2; 1 sccm
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Druck: 6,665 Pa (5 x 10&supmin;² Torr)
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Die Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht 3 kann auch durch MBE
(Molekularstrahlepitaxie), Vakuumverdampfen, Laserablation usw.
gebildet werden.
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Daraufhin wurde, wie in Fig. 1C gezeigt, ein Abschnitt 32 der
Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht 3 durch Ionenfräsen unter Verwenden von
Ar-Ionen derart geätzt, daß eine Stufe 33 gebildet wurde. Die
Stufe 33 hat eine Höhe von 150 nm. Die Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht
3 kann durch ein reaktives Ionenätzen oder durch Naßätzen
geätzt werden. In dieser Verbindung sollte der geätzte Abschnitt
32 der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht 3 eine Dicke t dicker als 10 nm
haben. Nach dem Ätzen wurde das Substrat 1 auf 350 bis 400ºC
unter einem Druck niedriger als 1,333 x 10&supmin;&sup7; Pa (1 x 10&supmin;&sup9; Torr)
erwärmt, um die Oberfläche der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht 3 zu
reinigen. Diese Wärmebehandlung war nicht erforderlich, falls
die Oberfläche der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht 3 rein genug war.
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Daraufhin wurde, wie in Fig 1D gezeigt, eine oxidische
supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 2 mit einer Dicke von 200 nm
über der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht 3 durch einen Sputterprozeß
abgeschieden. Die Bedingungen für den Sputterprozeß waren wie
folgt:
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Temperatur des Substrats: 700ºC
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Sputtergase: Ar 9 sccm
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O&sub2; 1 sccm
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Druck: 6,665 Pa (5 x 10&supmin;² Torr)
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Die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 2 kann durch
MBE (Molekularstrahlepitaxie), Vakuumverdampfen, Laserablation
usw. gebildet werden.
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Die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 2 hatte eine
Korngrenze 23 an der Stufe 33 der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht 3,
die eine schwache Verknüpfung eines Josephson-Übergangs bildet.
Zwei Teile 21 und 22 der oxidischen supraleitenden Dünnschicht
2, die auf einem Abschnitt 31 und einem geätzten Abschnitt 32
der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht 3 angeordnet sind, bilden
supraleitende Elektroden, die durch die Korngrenze schwach verknüpft
sind. Die zwei Teile 21 und 22 der oxidischen supraleitenden
Dünnschicht 2 waren aus einem einkristallinen oxidischen
Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Supraleiter gebildet, wobei ihre Kristallrichtungen
dieselben waren.
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Die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 2 konnte so
geätzt werden, daß der schmale Abschnitt zwischen den
Abschnitten 21 und 22 gebildet ist, deren bzw. dessen Mitte bzw.
Zentrum die Korngrenze 23 kreuzt. Metallelektroden können, falls
erforderlich, auf den Abschnitten 21 und 22 gebildet sein. Auf
diese Weise war die Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang
vom Stufen-Typ fertiggestellt.
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Eine Strom-Spannungskennlinie der vorstehend genannten
Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang wurde bei einer Temperatur
von 85 K gemessen. Wenn eine Mikrowelle ausgestrahlt wurde,
wurden Shapiro-Stufen klar gemessen, und deshalb war sicher,
daß der Josephson-Übergang in der Vorrichtung realisiert ist.
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Wie vorstehend erläutert, besteht die Vorrichtung mit einem
Josephson-Übergang vom Stufen-Typ aus zwei supraleitenden
Elektroden eines einkristallinen oxidischen Supraleiters, die zur
selben Zeit aufwachsen und eine Schicht der oxidischen
supraleitenden Dünnschicht bilden und in bezug aufeinander dieselbe
kristalline Richtung haben, und aus einer schwachen Verknüpfung
der Korngrenze zwischen ihnen. Die schwache Verknüpfung der
Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang ist aus einer
selbsterzeugten Korngrenze gebildet. Die Beschränkung bei der
Feinverarbeitungstechnik, die zur Herstellung der Vorrichtung mit
einem Josephson-Übergang erforderlich ist, wird deshalb
gelokkert.
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In bezug auf Fig. 2A bis 2G wird eine Ausführungsform der
Vorrichtung zur Herstellung der Vorrichtung mit einem Josephson-
Übergang gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Wie in Fig. 2A gezeigt, wurde ein MgO(100)-Substrat 1 mit einer
Größe von 15 mm x 8 mm und einer Dicke von 0,5 mm ähnlich der
Ausführungsform 1 zubereitet. Wie in Fig. 2B gezeigt, wurde ein
Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-(Oxidschicht) mit einer Dicke von 50 nm auf dem
Substrat 1 durch einen MBE-Prozeß gebildet. Die Bedingungen für
den MBE-Prozeß waren wie folgt:
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Temperatur des Substrats: 750ºC
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Oxidationsgase: O&sub3; 8%
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O&sub2; 92%
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Druck: 1,333 x Pa (1 x 10&supmin;³ Torr)
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Daraufhin wurde, wie in Fig. 2C gezeigt, ein Abschnitt 32 der
Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht 3 durch Ionenfräsen unter Verwendung
von Ar-Ionen geätzt, um eine Stufe 33 zu bilden. Die Stufe 33
hatte eine Höhe von 25 nm. Die Höhe der Stufe 33 entsprach im
wesentlichen der Dicke der oxidischen supraleitenden
Dünnschichten und der oxidischen Dünnschichten, die auf der
Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht 3 gebildet wurden. Die Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-
Oxidschicht 3 kann durch reaktives Ionenätzen oder Naßätzen
geätzt werden. Der geätzte Abschnitt 32 der
Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht 3 hatte eine Dicke in der Größenordnung von 20 nm.
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Daraufhin wurde, wie in Fig. 2D gezeigt, eine erste oxidische
supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 211 mit einer Dicke von 25
nm über der Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxidschicht 3 durch einen MBE-Prozeß
abgeschieden. Die Bedingungen für den MBE-Prozeß waren wie
folgt:
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Temperatur des Substrats: 700ºC
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Oxidationsgase: O&sub3; 8%
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O&sub2; 92%
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Druck: 1,333 x 10&supmin;³ Pa (1 x 10&supmin;&sup5; Torr)
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Daraufhin wurde die Y-Molekularstrahlquelle durch eine
Pr-Molekularstrahlquelle so ersetzt, daß eine erste oxidische
Dünnschicht 311, bestehend aus einem Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Oxid mit einer
Dicke von etwa 25 nm kontinuierlich auf der oxidischen
supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 211 gebildet wurde, wie in
Fig. 2E gezeigt. Die Bedingungen des MBE-Prozesses waren wie
folgt:
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Temperatur des Substrats: 700ºC
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Oxidationsgase: O&sub3; 8%
-
O&sub2; 92%
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Druck: 1,333 x 10&supmin;³ Pa (1 x 10&supmin;&sup5; Torr)
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Daraufhin wurde die Pr-Molekularstrahlquelle durch eine
Y-Molekularstrahiquelle so ersetzt, daß eine zweite oxidische
supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht kontinuierlich auf der ersten
oxidischen Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Dünnschicht 311 gebildet wurde.
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Der vorstehend genannte Vorgang wurde wiederholt, so daß n
Schichten aus oxidischen supraleitenden
Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschichten 211 bis 21n und n Schichten aus oxidischen Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-
Dünnschichten 311 bis 31n abwechselnd übereinander angeordnet
waren, wie in Fig. 2F gezeigt. Die oxidische
Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Dünnschicht 31n, die auf der Oberseite gebildet ist, dient als
Schutz. Bei dieser Ausführungsform waren zehn oxidische
supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschichten und oxidische Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-
Dünnschichten übereinander angeordnet. Metallelektroden können,
falls erforderlich, auf der oxidischen supraleitenden
Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 21n und 22n gebildet sein. Dadurch war
die Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang gemäß der
vorliegenden Erfindung fertiggestellt.
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Bei der vorstehend angeführten Vorrichtung mit einem Josephson-
Übergang hat jede oxidische supraleitende
Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht eine Korngrenze an einem Stufenabschnitt, welche den
Josephson-Übergang bildet. Diese Josephson-Übergänge sind aus
seibsterzeugten Korngrenzen so gebildet, daß sie im
wesentlichen dieselben Eigenschaften aufweisen. Deshalb weist der
Josephson-Übergang einen integrierten mehrfachen homogenen
Josephson-Übergang auf.
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Außerdem bilden die oxidischen supraleitenden
Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschichten Josephson-Übergänge. Dies wird in bezug auf Fig. 2G
erläutert. Fig 2G zeigt eine äquivalente Struktur der in Fig.
2F gezeigten Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang. Wie in
Fig. 2G gezeigt, wird davon ausgegangen, daß die Vorrichtung
mit einem Josephson-Übergang aus oxidischen supraleitenden
Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschichten und oxidischen
Pr&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-y-Dünnschichten gebildet ist, die in gestapelter Weise in Reihen angeordnet
sind. In der Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang bildet
die oxidische supraleitende Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 21i einen
Josephson-Übergang mit der oxidischen supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-
x-Dünnschicht 22i und einen weiteren mit der oxidischen
supraleitenden Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;O7-x-Dünnschicht 22i+1. Die oxidische
supraleitende Dünnschicht 22i hat eine schwache Verknüpfung mit der
oxidischen supraleitenden Dünnschicht 21i, weil sie zur selben
Zeit aufwachsen, um einen Stufenübergang zu bilden. Die
oxidische
supraleitende Dünnschicht 21i hat jeder dieselbe Beziehung
zu der oxidischen supraleitenden Dünnschicht 22i+1 wie die
oxidische supraleitende Dünnschicht 22i, da die oxidischen
Dünnschichten 31i und 32i an den Stufenabschnitten extrem dünn
sind. Deshalb können die oxidischen supraleitenden
Dünnschichten 22i+1 und 21i einander direkt durch den schwachen
Verknüpfungsabschnitt kontaktieren. Unter Verwendung eines
MBE-Verfahrens ist es möglich, diese scharfkantige Dünnschichtabscheidung
durchzuführen.
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Eine Strom-Spannungskennlinie der vorstehend genannten
Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang wurde bei einer Temperatur
von 85 K gemessen. Wenn eine Mikrowelle ausgestrahlt wurde,
konnten Shapiro-Schritte klar beobachtet werden, und deshalb
ist sichergestellt, daß in der Vorrichtung der
Josephson-Übergang realisiert ist. Wie vorstehend erläutert, weist die
Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang, die in Übereinstimmung
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, einen
mehrfachen homogenen Josephson-Übergang auf. Die schwachen
Verknüpfungen bzw. Übergänge der Vorrichtung mit einem Josephson-
Übergang sind aus selbsterzeugten Korngrenzen gebildet. Die
Beschränkung hinsichtlich der Feinverarbeitungstechnik, die zur
Herstellung der Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang
erforderlich ist, ist deshalb gelockert.
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In der Vorrichtung mit einem Josephson-Übergang bilden die
aneinandergrenzenden oxidischen supraleitenden Dünnschichten
außerdem Josephson-Übergänge. Deshalb ist die Anzahl an
Josephson-Übergängen in der Vorrichtung mit einem Josephson-
Übergang nahezu doppelt so hoch wie diejenige der oxidischen
supraleitenden Dünnschichten. Deshalb weist die Vorrichtung mit
einem Josephson-Übergang eine hohe Stromkapazität auf.
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Bei der vorstehend angeführten Ausführungform kann die
oxidische supraleitende Dünnschicht nicht nur aus dem supraleitenden
Y-Ba-Cu-O-Verbundoxid gebildet werden, sondern auch aus einem
oxidischen Supraleiter mit hoher Tc (hohe kritische
Temperatur), insbesondere aus einem supraleitenden Verbundoxid vom
Kupferoxid-Typ mit hoher Tc, insbesondere aus einem
supraleitenden Bi-Sr-Ca-Cu-O-Verbundoxid und einem supraleitenden T1-
Ba-Ca-Cu-O-Verbundoxid.
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Die Erfindung ist damit in bezug auf die speziellen
Ausführungsformen erläutert worden. Es wird jedoch bemerkt, daß die
vorliegende Erfindung in keinster Weise auf die Einzelheiten
der dargestellten Strukturen beschränkt ist; vielmehr können im
Umfang der beiliegenden Ansprüche Abwandlungen und
Modifikationen vorgenommen werden.