DE69503614T2

DE69503614T2 - Supraleitender übergang

Info

Publication number: DE69503614T2
Application number: DE69503614T
Authority: DE
Inventors: Nigel Gordon Defence Research Agency Malvern Worcestershire Wr14 3Ps Chew; Simon Wray Defence Research Agency Malvern Worcestershire Wr14 3Ps Goodyear; Richard George Defence Research Malvern Worcestershire Wr14 3Ps Humphreys; Julian Simon Defence Research Agency Malvern Worcestershire Wr14 3Ps Satchell
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1994-03-25
Filing date: 1995-03-10
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2015-03-11
Also published as: DE69503614D1; JPH09510833A; CA2186359C; CA2186359A1; AU1857595A; GB2301965B; GB2288094A; GB9619046D0; US5821556A; WO1995026575A1; EP0752161B1; EP0752161A1; GB9406015D0; GB2301965A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft supraleitende Übergänge und insbesondere supraleitende Übergänge, die aus einer Mehrzahl supraleitender Schichten hergestellt werden.
Aus Metallfilmen hergestellte supraleitende Josephson- Übergänge sind im Stand der Technik gut bekannt und werden von K.K. Likharev in Review of Modern Physics (1979), Volume 51, Seite 101 ff. erläutert. Josephson-Übergänge in Metallsupraleitern weisen herkömmlich einen Dreischichtaufbau aus Supraleiter, Isolator und Supraleiter auf, wobei der Isolator eine Tunnelbarriere bildet. Mikrobrücken, die ein Bindeglied beschränkter Abmessungen zwischen zwei Bereichen einer einzelnen Schicht aus supraleitendem Material aufweisen, sind auch zur Erzeugung von Übergängen mit Josephsonartigen Eigenschaften bekannt. Wenn eine Mikrobrücke der Größenordnung der supraleitenden Kohärenzlängenbreite ist, ergibt sich eine Anderson-Dayem-Mikrobrücke. Wenn eine Mikrobrücke der Größenordnung der Abmessung der London-Eindringtiefe ist, kennt man die Mikrobrücke als eine Likharev-Mikrobrücke. Die Josephson-artigen Eigenschaften einer Likharev-Mikrobrücke treten eher als Ergebnis einer Wirbelströmung als einer Josephson-Tunnelung auf. Josephson- Übergänge mit Tunnelbarrieren unterscheiden sich von Mikrobrücken. Likharev-Mikrobrücken sind keine wirklichen Josephson-Übergänge, doch haben sie viele der Eigenschaften der Josephson-Übergänge. Die Unterschiede zwischen Anderson-Dayem-Mikrobrücken, bei denen die Abmessungen der Mikrobrücke senkrecht zu einer Stromflußrichtung durch die Mikrobrücke mit der Supraleitungskohärenzlänge vergleichbar sind, und Likharev-Mikrobrücken, bei denen die Abmessungen mit der Supraleitungseindringtiefe vergleichbar sind, werden von Aslamazov und Larkin in Soviet Physics JETP (1975), Volume 41, Number 2, Seiten 381-386 und anderswo durch andere abgehandelt.
Das US-Patent Nr. 4 539 741 beschreibt ein Josephson-Übergangselement, das eine erste Supraleiterschicht und eine über der ersten Schicht liegende zweite Supraleiterschicht aufweist, wobei eine Isolierschicht zwischen den zwei supraleitenden Schichten angeordnet ist. Die zwei supraleitenden Schichten werden elektrisch durch ein schwaches Bindeglied verbunden, das, unter anderem, irgendeine Art von supraleitendem Material, Kupfer oder ein anderes normales Metall sein kann. Das schwache Bindeglied hat eine Länge, die der Dicke der Isolierschicht in einem Bereich von einigen Hundert bis zu einigen Tausend 0,1 nm (Å) gleich ist. Die supraleitenden Schichten werden aus supraleitenden Elementen oder ihren Legierungen hergestellt. Die Breite, die Länge und die Dicke des schwachen Bindeglieds sind derart, daß sich eine Anderson-Dayem-Mikrobrücke mit einer sinφ- Stromphasencharakteristik ergibt.
Oxidsupraleiter mit höheren kritischen Temperaturen als denen von Metallen oder intermetallischen Verbindungen wurden 1986 entdeckt. Der Begriff der kritischen Temperatur auf dem Gebiet der Supraleitung bedeutet die Temperatur, bei der ein Material sämtlichen elektrischen Widerstand verliert. Die Herstellung verläßlicher reproduzierbarer Josephson-Übergänge in dünnen Filmen aus Oxidsupraleitern ist umständlicher als die Herstellung von Übergängen in Metallsupraleitern. Die Schwierigkeiten ergeben sich aus den Bedingungen, die zur Abscheidung der dünnen Filme benötigt werden, den Supraleiterparametern der Oxidsupraleiter und ihrer physikalischen und chemischen Empfindlichkeit gegenüber Verfahrenstechniken.
Eine Auswahl von Techniken zur Herstellung von Josephson- Übergängen bei Oxidsupraleitern wurde in der Literatur beschrieben. Korngrenzenübergänge können durch Musterung von Bahnen in einem supraleitenden Film gebildet werden, der über eine Korngrenze eines Substrats abgeschieden wurde, wie von Dimos et al. in Physical Review Letters (1988), Volume 61, Seite 2476 ff. beschrieben wurde. Korngrenzenübergänge können auch durch Abscheidung eines supraleitenden Films über eine Stufe in einem Substrat hergestellt werden. Korngrenzenübergänge haben keine ausreichende Reproduzierbarkeit für eine andere Verwendung als die bei den einfachsten elektrischen Schaltungen. Es wurden Versuche unternommen, um Dreischichtübergänge mit einer isolierenden Tunnelbarriere herzustellen, obwohl diese nicht erfolgreich waren. Die Tunnelbarriere muß sehr dünn, nämlich in der Größenordnung von 2 nm (20 Å), sein und ist anfällig für Poren.
Es ist nicht praktisch zu versuchen, eine Anderson-Dayem- Mikrobrücke in Oxidsupraleitern herzustellen, da der Übergang eine Abmessung von einigen 0,1 nm (Å) haben müßte, was für herkömmliche Herstellungstechniken zu klein ist.
Likharev-Mikrobrücken in dünnen Filmen aus Oxidsupraleitern wurden erhalten, indem man eine enge Einschnürung in den Film unter Verwendung von Elektronenstrahlenlithographie oder Ionenfräsen musterte, wobei die Breitenbeschränkung der Einschnürung durch Verdünnen des Films im Bereich der Mikrobrücke erleichtert wurde. Solche Mikrobrücken sind anfällig für Sauerstoffverlust, was ihre Leistung katastrophal beeinträchtigen kann.
Das US-Patent 4 224 630 offenbart eine schwache Bindegliedanordnung mit Niob als supraleitendem Material, wobei eine erste metallische supraleitende Schicht mit einer zweiten metallischen supraleitenden Schicht durch ein Loch mit geringem Durchmesser durch eine Isolierschicht gekoppelt wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Form eines supraleitenden übergangs zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung sieht einen supraleitenden Übergang mit Josephsonübergang-artigen Eigenschaften nach Abkühlung unter eine kritische Temperatur vor, der eine mit einem Substrat epitaktische erste supraleitende Oxidschicht und eine zweite epitaktische supraleitende Oxidschicht aufweist, die mit der ersten Schicht durch eine supraleitende Mikrobrücke verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht einen Bereich enthält, der sich über einen Bereich der ersten Schicht erstreckt, und die Mikrobrücke die Bereiche verbindet und ein epitaktischer supraleitender Oxidbereich ist.
Die Erfindung ergibt den Vorteil, ein Mikrobrücken-Josephsonart-Übergang zu sein, in welchem die supraleitenden Schichten nacheinander in einer Vielschichtstruktur angeordnet werden, so daß der Übergang gegenüber Beeinträchtigung aufgrund von Kontaminierung durch seine angrenzende Umgebung besser geschützt wird.
Der supraleitende Übergang kann so gestaltet sein, daß die Mikrobrücke eine Likharev-Mikrobrücke ist. Der Übergang kann so ausgebildet werden, daß sich die Josephsonübergangartigen Eigenschaften als Ergebnis einer zusammenhängenden Bewegung supraleitender Wirbel durch die Mikrobrücke ergeben. Der Begriff des supraleitenden Wirbels ist ein Standardbegriff bei der Supraleitfähigkeit, der Überströme betrifft, die um Magnetflußquanten zirkulieren Die Mikrobrücke kann Abmessungen haben, die mit einer supraleitenden Eindringtiefe vergleichbar sind.
Die supraleitenden Schichten können aus dem gleichen Oxidmaterial sein, wobei keine Korngrenzen zwischen den supraleitenden Schichten vorhanden sind. Der Oxidsupraleiter kann tetragonal oder orthorhombisch sein, wobei ein längster kristallographischer Wiederholungsvektor senkrecht zu einer planaren Grenzfläche zwischen dem Substrat und der ersten supraleitenden Schicht ist.
Eine nichtsupraleitende Schicht kann sich wenigstens teilweise zwischen den zwei supraleitenden Schichten erstrekken. Diese nichtsupraleitende Schicht kann nichtmetallische physikalische Eigenschaften haben und kann eine Oxidschicht sein. Die supraleitenden Schichten können aus einem Seltenerd-Barium-Kupfer-Oxid sein, wobei die Seltene Erde Yttrium sein kann, und die nichtsupraleitende Schicht kann Praseodym-Barium-Kupfer-Oxid sein. Der Übergang kann eine c-Achsenmikrobrücke enthalten, worin die Mikrobrücke so angeordnet ist, daß die kristallographische c-Achse im wesentlichen parallel zur Stromflußrichtung durch die Mikrobrücke ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Mikrobrücke von der nichtsupraleitenden Schicht umgeben. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Mikrobrücke eine Kantenmikrobrücke, die die erste und die zweite supraleitende Schicht an einer Kante der Schichten statt im Inneren verbindet. Der Übergang der Erfindung kann in einer supraleitenden Quantuminterferenzanordnung (SQID) oder in einer anderen elektrischen Schaltung enthalten sein.
Zum vollständigeren Verständnis der Erfindung werden nun Beispiele davon, lediglich beispielsweise, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin:
Figur 1 einen supraleitenden übergang der Erfindung in Perspektive zeigt;
Figur 2 Seitenschnittdarstellungen von Stufen bei der Herstellung des Übergangs nach Figur 1 zeigt;
Figur 3 Diagramme der physikalischen Eigenschaften zeigt, die durch dem Übergang der Figur 1 ähnliche Übergänge erreicht werden;
Figur 4 eine Seitenschnittdartellung eines anderen supraleitenden Übergangs der Erfindung ist;
Figur 5 eine schematische Perspektivdarstellung eines weiteren supraleitenden übergangs der Erfindung zeigt;
Figur 6 eine schematische Perspektivdarstellung eines weiteren supraleitenden Übergangs der Erfindung zeigt; und
Figur 7 in einer Draufsicht eine "SQUID" zeigt, die zwei supraleitende Übergänge der Erfindung enthält.
In der Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines supraleitenden Überganges der Erfindung gezeigt, der allgemein mit 10 bezeichnet wird. Der Übergang 10 wird auf einem Einkristallsubstrat aus MgO 20 hergestellt und weist eine erste Bahn 22 aus epitaktischem YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; auf. Ein isolierender Bereich 24 aus PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; liegt über der ersten Bahn 22 und erstreckt sich quer dazu. Der Bereich 24 umgibt ein Mesa 26 aus YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;. Eine zweite, mit der ersten Bahn 22 epitaktische Bahn 28 aus YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; bedeckt den PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;- Bereich 24 und das Mesa 26.
In Figur 2 sind Stufen 2a bis 2e bei der Herstellung des Übergangs 10 nach Figur 1 gezeigt. Figur 2a zeigt das Substrat 20 mit einer YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 30, die über dem Substrat 20 liegt. Die YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 30 wird auf dem Substrat 20 unter Anwendung eines Elektronenstrahlenverdampfungsverfahrens abgeschieden, das von N.G. Chew et al. in Applied Physics Letters, Volume 57, Number 19, November 1990, Seiten 2016 bis 2018 beschrieben ist. Die Schicht 30 hat eine kristallographische Ausrichtung mit der c-Achse der Schicht senkrecht zur Ebene des Substrats, die (001) ausgerichtet ist. Die kristallographische c-Achse von YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; ist parallel zum längsten Gitterwiederholungsvektor der orthorhombischen Einheitszelle, der eine Größe von angenähert 11,7 Å hat. Die Schicht 30 hat eine Dicke t von 0,7 um. Vor der Abscheidung aller Oxidschichten erfährt die Probe ein kurzes Argonionenstrahlfräsen in situ zur Reinigung der Oberfläche, auf welcher die Oxidschicht abzuscheiden ist. Dieses Ionenfräsen wird bei einem Beschleunigungspotential von 500 V für 3 Minuten durchgeführt, worauf 2 Minuten bei 300 V folgen. Auf die Abscheidung der Schicht 30 folgend wird positives Photoresist AZ1518 auf eine Oberseite 31 der Schicht 30 gespritzt, um eine Schicht 32 aus Photoresist mit einer Dicke von 1,7 um zu erhalten.
In einem ersten optischen Lithographieverfahren wird die Schicht 32 ultraviolettem Licht ausgesetzt und entwickelt, so daß ein kreisförmiger Bereich 38 mit einem Durchmesser d von 3 um verbleibt. Der Bereich der Schicht 30, der nicht vom Bereich 38 bedeckt ist, wird dann einem Ionenstrahlfräsen unterworfen. Beim Ionenstrahlenfräsverfahren werden Ar&spplus;-Ionen zur Abtragung der Probe verwendet. Die Ar&spplus;-Ionen werden mit einem Beschleunigungspotential von 500 V und einem Strahlenstrom von 12 mA entsprechend einer Ionenstromdichte von angenähert 0,4 mA/cm² beschleunigt. Das Substrat 20 wird an einer rotierenden gekühlten Platte befestigt, und der Ionenstrahl ist senkrecht zum Substrat. Das Fräsen dauert an, bis der Bereich der Schicht 30, der nicht vom Photoresistbereich 38 bedeckt wird, auf eine Dicke von 0,2 um verdünnt ist. Der Bereich der YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 30 unterhalb des Resistbereichs 38 wird nicht verdünnt. Auf das Ionenstrahlfräsen folgend wird das restliche Photoresist unter Anwendung eines Standard-Sauerstoffplasmaveraschungsprozesses entfernt. Dieser Lithographieprozeß läßt ein Mesa 40 aus YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; mit einer Höhe h von 0,5 um zurück, wie in Figur 2b gezeigt ist.
Die verdünnte YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 30 wird dann zur Anpassung an die Bahn 22 gemustert, die eine Breite w von 20 um hat. Um diese Musterung zu bewirken, wird eine zweite Photoresistschicht über der Schicht 30 und dem Mesa 40 abgeschieden. Das das Überschuß-YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; bedeckende Photoresist wird UV-Licht ausgesetzt, das Resist wird entwickelt, und das Überschuß YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; wird durch Ionenstrahlfräsen entfernt. Das Ionenstrahlfräsen wird wie für das Mustern des Mesas 40 mit der Ausnahme durchgeführt, daß der Ionenstrahl bei einem Einfallwinkel von 45º zum Substrat ist. Eine epitaktische PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 42 mit einer angenäherten Dicke von 0,4 um wird dann über dem Mesa 40, der Bahn 22 und dem Substrat 20 durch Elektronenstrahlverdampfung in einer der YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 30 ähnlichen Weise abgeschieden, wie in Figur 2c gezeigt ist. Eine Photoresistschicht wird dann auf das Substrat wie vorher gespritzt, um eine Photoresistdicke von angenähert 1,7 um zu ergeben. Das Resist ebnet die Probenoberfläche ein und hat eine Ionenstrahlfräsgeschwindigkeit nahe der von YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; und PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;.
Der Verbundaufbau von Substrat, YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;, PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; und Photoresist wird einem Ionenstrahlfräsprozeß, wie vorher beschrieben, unter einem Einfaliwinkel von 45º unterworfen. Da der Verbundaufbau eine anfänglich angenähert ebene Oberfläche hat und die Fräsgeschwindigkeiten von Resist, YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; und PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; angenähert gleich sind, wird die ebene Oberfläche während des Fräsverfahrens bewahrt. Das Fräsen wird vorgenommen, bis ein gewünschter Endpunkt unter Verwendung einer Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) wie von R.G. Humphreys et al. in Applied Physics Letters, Volume 61 Number 2, Juli 1992, Seiten 228 bis 230 beschrieben, erfaßt wird. Der gewünschte Endpunkt wird erreicht, wenn erstmals ein Praseodymsignal durch die SIMS-Vorrichtung erfaßt wird. Die SIMS-Vorrichtung ist nicht ausreichend empfindlich, um die geringe von über dem Mesa 40 entfernte PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Menge zu erfassen. Der erfaßte Endpunkt entspricht dem Beginn des Wegfräsens des das Mesa 40 umgebenden PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;. Jegliches restliches Photoresist, das durch den Ionenfräsprozeß nicht entfernt wurde, wird, wie vorher, durch Plasmaveraschung entfernt. Die erhaltene Struktur ist in Figur 2d gezeigt. Das Mesa 40 wurde in seiner Höhe verringert, um das Mesa 26 zu bilden. Die Höhe des Mesas 26 ist gleich der verdünnten Dicke der PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;- Schicht 42, und die Oberfläche der PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 42 über der Bahn 22 und die des freigelegten YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Mesas 26 liegen angenähert in einer gemeinsamen Ebene 43. Da die Oberseite des Photoresists vielleicht nicht genau planar ist und die Fräsgeschwindigkeiten nicht genau gleich sind, kann die freiliegende Oberfläche des Mesas 26 aus der Ebene 43 um bis zu 20 nm vorragen.
Eine zweite Schicht 44 aus YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; wird epitaktisch auf der Oberseite des Mesas 26 und der PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 42 abgeschieden, wie in Figur 2e gezeigt ist. Die zweite Schicht 44 hat eine Dicke von 0,35 um. Die zweite Schicht 44 wird gemustert, um die zweite Bahn 28, wie in Figur 1 gezeigt ist, unter Anwendung der zuvor beschriebenen Technik der Photolithographie und des lonenfräsens zu bilden. Die zweite Bahn 28 wird gegen ein Fräsen durch einen Photoresiststreifen geschützt, und das Fräsen dauert an, bis ein Yttrium- oder Magnesiumsignal von der SIMS-Vorrichtung entsprechend der Entfernung der PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 42 von überall mit Ausnahme unter der zweiten Bahn 28 gemessen wird, wo sie den Isolierbereich 24 bildet. Dann wird das Photoresist durch Plasmaveraschung entfernt. Es gibt eine Stufe 45 in einer zweiten Schicht 44, doch diese Stufe läßt keinen Josephson-Übergang entstehen. Kreuzungsbahnen von YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;, die nicht zu Josephson-Übergängen führen, wenn sie durch eine PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Barriere isolierte untere YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Bahnen kreuzen, werden von M.N. Keene et al. in Applied Physics Letters, Volume 64, Number 3, Januar 1994, Seiten 366 bis 368 beschrieben.
Das Mesa 26 bildet ein supraleitendes Bindeglied zwischen der Bahn 22 und der Bahn 28, das den übergang 10 bildet, der als ein Josephson-Übergang wirkt. Elektrische Kontakte am Übergang werden unter Anwendung eines herkömmlichen Abhebeprozesses hergestellt, bei dem Silber, Gold oder eine Silber-Gold-Legierung auf die Probe aufgedampft wird. In einem letzten Verfahrensschritt wird die Probe bei 550 ºC in strömendem Sauerstoff für 1 Stunde angelassen, worauf eine Abkühlperiode mit 5º/min folgt.
In den Figuren 3a bis 3d sind Diagramme der physikalischen Eigenschaften von dem übergang 10 ähnlichen supraleitenden übergängen gezeigt. Figur 3a zeigt eine Strom-Spannungs- Charakteristik 50 eines Überganges mit einem Mesa von 3 um Durchmesser, die bei 70,2 K (-203 ºC) ohne Magnetfeldanlegung gemessen wurde. Figur 3b zeigt die Magnetfeldabhängigkeit des kritischen Stroms Ic eines Überganges mit einem Mesa von 3 um Durchmesser, die bei 77,2 K (-196 ºC) gemessen wurde, wobei das angelegte Magnetfeld parallel zur Ebene des Substrats und senkrecht zum Stromfluß durch das Mesa war. Der kritische Strom eines überganges ist der Maximalstrom, der durch den Übergang geleitet werden kann, ohne daß eine Potentialdifferenz von mehr als 1 uV gemessen wird. Der Übergang hat eine Charakteristik 60, die ein zentrales Maximum 62 des kritischen Stroms mit Minima 64 und 66 zu beiden Seiten zeigt. Die Charakteristik 60 zeigt auch Nebenmaxima 68 und 69. Eine Analyse zeigt, daß diese Charakteristiken mit einer sinusförmigen Strom-Phasen- Beziehung nicht kompatibel sind.
Figur 3c zeigt die Wirkung einer Mikrowellenstrahlung auf die Strom-Spannungs-Charakteristiken eines Übergangs mit einem Mesa von 4 um Durchmesser, die bei 60 K (-213 ºC) gemessen wurden. Die Figur zeigt eine Gruppe von Charaktenstiken 70a bis 70c, die mit einer steigenden Mikrowellenleistungsdichte gemessen wurden, wobei die Mikrowellenstrahlung eine Frequenz von 8,48 GHz hatte. Mit Ausnahme der Charakteristik 70a, die bei einfallender Leistung von Null gemessen wurde, zeigen die Charakteristiken 70b bis 70c jeweils Shapiro-Stufen, wie z.B. die Stufe 72, bei regelmäßigen Spannungssteigerungen von angenähert 20 uV.
Figur 3d zeigt die Änderung des kritischen Stromes eines übergangs mit einem Mesa von 4 um Durchmesser bei zugeführter Mikrowellenstrahlungsleistung einer Frequenz von 8,21 GHz, gemessen bei 75 K (-202 ºC). Figur 3d ist ein Diagramm des kritischen Stroms gegen den HF-Strom, der proportional der Quadratwurzel der Mikrowellenstrahlungsleistung ist. Das Diagramm zeigt eine anfängliche lineare Abhängigkeit des kritischen Stroms vom HF-Strom, wie durch 80 angezeigt ist, wobei der kritische Strom, bei 82 angedeutet, auf Null abfällt, wenn der HF-Strom wächst.
Damit der Übergang 10 ein Josephson-artiges Verhalten zeigt, sollte die Höhe des Mesas 26 parallel zur Stromflußrichtung längs des Mesas mit der a-b-Ebeneneindringtiefe vergleichbar sein, die angenähert 0,3 um bei 77 K (-196 ºC) ist. Die Betrachtung des Herstellungsverfahrens zeigt eine Optimalhöhe des Mesas 26 von etwa 0,4 um, obwohl Josephson-artige Eigenschaften für übergänge mit Mesas von Höhen bis zu angenähert 1 um erwartet werden. Die minimale Mesahöhe wird durch die gewünschte Übergangsstärke, die Notwendigkeit der Vermeidung von Poren im Isolator und die Kapazität und den Ableitwiderstand des Isolators bestimmt. Die Mesahöhe könnte so niedrig wie 5 nm sein. Um eine Likharev-Mikrobrücke herzustellen, sollte die Breite des Mesas 26 senkrecht zur Stromflußrichtung in der Größenordnung der c-Achseneindringtiefe sein, die angenhert 0,7 um bei 77 K (-196 ºC) ist; wenn das Mesa weniger breit als die Eindringtiefe, jedoch in der Größenordnung der Kohärenzlänge breit ist, kann sich eine Anderson-Dayem-Mikrobrücke ergeben. In Versuchen zeigten Übergänge mit einem Mesadurchmesser von bis zu 10 um ein Josephson-artiges Verhalten. Während die Herstellung eines Überganges mit einem kreisförmigen Mesa beschrieben wurde, kann der Übergang 10 ein Mesa 26 aufweisen, das nicht kreisförmig ist. Das Mesa 26 kann eine Auswahl von Formen haben, die, ohne darauf beschränkt zu sein, eine quadratische, rechteckige und elliptische Form umfassen.
Während der übergang 10 mit supraleitenden Schichten aus YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; beschrieben wurde, kann die Zusammensetzung der Schichten auch nicht genau stöchiometrisch sein. Es ist bekannt, daß geringe Änderungen in der Zusammensetzung eine Wirkung auf die supraleitenden Eigenschaften von YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; haben, wie von N.G. Chew et al. in Applied Physics Letters, Volume 57 Number 19, November 1990, Seiten 2016 bis 2018 beschrieben wurde. Seltenerd-Barium-Kupfer-Oxide außer Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid sind als supraleitend bekannt, und solche Materialien können auch als Ersatz für das YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; geeignet sein. Die PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht kann durch andere nichtsupraleitende Materialien, z.B. Y&sub2;O&sub3;, La1,5Ba1,5Cu&sub3;O&sub7; oder CeO&sub2; ersetzt werden. Der Widerstand der PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;- Schicht kann durch den Zusatz eines Dotierstoffes gesteigert werden.
Substrate außer MgO, z.B. SrTiO&sub3; und LaAlO&sub3;, können verwendet werden. Die Auswahl des Substrats wird durch seine Eignung zum Aufwachsen epitaktischer Schichten aus YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; oder PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; bestimmt. Pufferschichten können vor der Abscheidung der ersten Schicht aus YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; abgeschieden werden. Verfahren zur Einebnung außer dem Ionenstrahlfräsen können innerhalb des Bereichs der Erfindung möglich sein. Es kann möglich sein, eine Kombination eines anisotropen Ätzens, wie z.B. Brom in Ethanol, kombiniert mit mechanischer Wirkung, wie beim chemo-mechanischen Verarbeiten, anzuwenden, wobei ähnliche Techniken zur Einebnung integrierter Halbleiterschaltungen verwendet werden. Die Einebnung kann auch durch physikalisches Polieren der Oberfläche bewirkt werden. Fachleute auf dem Gebiet der lithographischen Verarbeitung von Mikroschaltungen sind mit diesen Verfahren vertraut und in der Lage, einfache Versuche zur Bestimmung ihrer Anwendbarkeit durchzuführen.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt eines c-Achsen-Mikrobrükken-Supraleiterüberganges 100, der durch ein zweites Verfahren hergestellt wird. Statt der Herstellung eines Mesas vor der Abscheidung einer PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Isolierschicht wird der Übergang 100 hergestellt, indem man eine epitaktische PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 110 auf einer ebenen epitaktischen YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Basisschicht 120 abscheidet, die auf einem MgO- Substrat 121 abgeschieden wurde. Es wird dann ein photolithographisch begrenztes Fenster 12 in der PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 110 durch lonenstrahlbohren hinab bis zur YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 120 geöffnet. Dann wird eine obere Schicht 124 von epitaktischem YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; über der PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 110 so abgeschieden, um die Basisschicht 120 durch das Fenster 12 zu kontaktieren.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines c-Achsen- Mikrobrückensupraleiterübergangs 200, der nach einem dritten Verfahren hergestellt wird. Eine (nicht gezeigte) epitaktische Schicht aus YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; wird auf einem MgO-Substrat 202 abgeschieden und zu einer 3 um breiten Bahn 210 gemustert. Eine Schicht aus epitaktischem PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; 220 wird über der Bahn 210 abgeschieden und, wie vorher, geebnet, um die Bahn 210 freizulegen. Eine zweite Schicht aus epitaktischem YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; wird über dem PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7; 220 und der Bahn 210 abgeschieden und durch Photolithographie und Ionenstrahlfräsen zu einer zweiten Bahn 222 gemustert, die die Bahn 210 kreuzt. Das Ionenstrahlfräsen wird bei der Messung eines Praseodymsignals durch die SIMS-Vorrichtung beendet. In einem letzten Verfahrensschritt wird das Überschuß-PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;, das den größeren Teil des Substrats bedeckt, durch Ionenstrahlfräsen entfernt.
In Figur 6 ist eine c-Achsen-Mikrobrücke 250 gezeigt, die nach einem vierten Verfahren hergestellt wird. Eine planare epitaktische YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Basisschicht 252 wird auf einem MgO- Substrat 254 abgeschieden und durch Photolithographie und Ionenstrahlfräsen zur Bildung einer Basiselektrode 256 gemustert. Eine epitaktische PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 258 wird dann epitaktisch über der Basisschicht abgeschieden, und eine zweite epitaktische YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 260 wird über der PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 258 abgeschieden. Die zweite YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;- Schicht 260 und die PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 258 werden dann zur Bildung einer oberen Elektrode 262 gemustert, die einen Bereich 264 enthält, der die Basiselektrode 256 überlappt Es wird dann eine Kante 266 durch Photolithographie und Ionenstrahlfräsen begrenzt. Die zweite YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 260 und die PrBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 258 werden durchgefräst, und die Basiselektrode 256 wird teilweise weggefräst. Dann wird eine dritte epitaktische YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 270 über der zweiten YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 260, der Basiselektrode 256 und dem freigelegten Substrat 254 abgeschieden. Der größte Teil der dritten YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 270 wird weggefräst, um einen kleinen Bereich 272 übrigzulassen, der die Basiselektrode 256 mit der zweiten YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht 260 verbindet. Dieser Bereich wirkt als eine Likharev-Mikrobrücke. Dieses Verfahren ergibt den Vorteil der Ermöglichung der Herstellung von Anordnungen, die eine zur c-Achse senkrechte Abmessung haben, die von der Größenordnung der Dicke der dritten YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Schicht ist.
In Figur 7 ist eine supraleitende Quantuminterferenzanordnung (SQUID) 300 gezeigt, die zwei supraleitende Übergänge 310 und 320 aufweist. Die Übergänge 310 und 320 werden in einer dem Übergang 10 ähnlichen Weise hergestellt. Die Übergänge 310 und 320 werden untereinander supraleitend durch eine YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;-Basisschicht 330 und eine YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;- Oberschicht 340 verbunden. Die Basisschicht 330 wird zu einer Dichtungsscheibengestaltung gemustert, und eine elektrische Verbindung wird zur Basisschicht 330 durch Kontakte 350a und 350b sowie zur Oberschicht 340 durch Kontakte 352a und 352b hergestellt.
In bestimmten Verwendungsfällen ist es wünschenswert, die Induktanz einer Schaltung zu verringern, die einen Josephson-übergang enthält. Der übergang 10 kann als Teil einer Logikschaltung enthalten sein, in der eine hohe Schaltgeschwindigkeit erwünscht ist. Ein Übergang, bei dem die c- Achsen in der Ebene des Substrats ausgerichtet sind, hat eine höhere Flächeninduktanz als einer, bei dem die Schichten mit den zum Substrat senkrechten c-Achsen angeordnet sind, falls die Schaltung keine eindimensionale Verdrahtungsanordnung hat.

Claims

1. Supraleitender übergang (10, 100, 200, 250) mit Josephsonübergang-artigen Eigenschaften nach Abkühlung unter eine kritische Temperatur, der eine mit einem Substrat (20, 121, 202, 254) epitaktische erste supraleitende Oxidschicht (22, 120, 210, 252) und eine zweite epitaktische supraleitende Oxidschicht (28, 124, 222, 260) aufweist, die mit der ersten Schicht durch eine supraleitende Mikrobrücke (26, 272) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht einen Bereich enthält, der sich über einen Bereich der ersten Schicht erstreckt, und die Mikrobrücke die Bereiche verbindet und ein epitaktischer supraleitender Oxidbereich ist.

2. Supraleitender Übergang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrobrücke eine Likharev-Mikrobrücke ist.

3. SupraleitenderÜübergang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrobrücke solche Abmessungen hat, daß die Josephsonübergang-artigen Eigenschaften auf einer zusammenhängenden Bewegung von supraleitenden Wirbeln durch die Mikrobrücke beruhen.

4. Supraleitender Übergang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrobrücke einen zu einer Stromflußrichtung durch die Mikrobrücke senkrechten Querschnitt mit Abmessungen innerhalb einer Größenordnung einer supraleitenden Eindringtiefe parallel zur stromflußrichtung durch die Mikrobrücke hat.

5. supraleitender Übergang nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schichten und die supraleitende Mikrobrücke aus dem gleichen supraleitenden Oxidmaterial sind und daß es keine Korngrenze zwischen jeder der Schichten und der Mikrobrücke gibt.

6. Supraleitender Übergang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schichten anisotrope supraleitende Eigenschaften haben.

7. Supraleitender übergang nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine supraleitende Eindringtiefe parallel zu einer Stromflußrichtung durch die Mikrobrücke größer als eine supraleitende Eindringtiefe senkrecht zur Stromflußrichtung ist.

8. Supraleitender Übergang nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schichten eine tetragonale kristallographische Einheitszelle haben.

9. Supraleitender Übergang nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schichten eine orthorhombische kristallographische Einheitszelle haben.

10. Supraleitender Übergang nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten im wesentlichen einkristallin sind und daß der längste kristallographische Gitterwiederholungsvektor der Schichten im wesentlichen senkrecht zu einer planaren Grenzfläche zwischen dem Substrat und der ersten Schicht ist.

11. Supraleitender Übergang nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrobrücke einen zur Stromflußrichtung durch die Mikrobrücke senkrechten Querschnitt hat, der eine Abmessung hat, die größer als die supraleitende Kohärenzdicke und kleiner als 10 um ist.

12. Supraleitender Übergang nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine nichtsupraleitende Schicht (24) wenigstens teilweise über die erste supraleitende Schicht (22) und wenigstens teilweise zwischen den zwei supraleitenden Schichten (22, 28) erstreckt.

13. Supraleitender Übergang nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtsupraleitende Schicht nichtmetallische physikalische Eigenschaften hat.

14. Supraleitender Übergang nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtsupraleitende Schicht eine Oxidschicht ist.

15. Supraleitender übergang nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schichten Schichten eines Seltenerd-Barium-Kupfer-Oxids sind.

16. Supraleitender übergang nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten supraleitenden Schichten Yttrium-Barium-Kupfer-Oxidschichten sind.

17. supraleitender übergang nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtsupraleitende Schicht eine Schicht aus epitaktischem Praseodym- Barium-Kupfer-Oxid ist.

18. Supraleitender Übergang nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten eine kristallographische c-Achse haben, die im wesentlichen senkrecht zu einer planaren Grenzfläche zwischen dem Substrat und der ersten supraleitenden Schicht und im wesentlichen parallel zu einer Stromflußrichtung durch die Mikrobrücke ist.

19. Supraleitender übergang nach irgendeinem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrobrücke zwischen der ersten und der zweiten supraleitenden Schicht von der nichtsupraleitenden Schicht umgeben ist.

20. Supraleitender Übergang nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrobrücke senkrecht zu einer Stromflußrichtung durch die Mikrobrücke Abmessungen hat, die kleiner als 10 um sind.

21. Supraleitender Übergang nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrobrücke parallel zur Stromflußrichtung durch die Mikrobrücke eine Abmessung hat, die größer als 5 nm und kleiner als 1 um ist.

22. Supraleitender übergang (250) nach irgendeinem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrobrücke eine Kanten- (edge)Mikrobrücke ist.

23. Supraleitende Quantuminterferenzanordnung (300), die eine Mehrzahl von supraleitenden übergängen nach irgendeinem vorstehenden Anspruch aufweist.

24. Elektrische Schaltung, die einen supraleitenden Übergang nach irgendeinem vorstehenden Anspruch aufweist.

25. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Überganges nach Anspruch 1, das die Schritte aufweist:

(i) Abscheiden einer ersten epitaktischen Oxidsupraleiterschicht auf einem Substrat;

(ii) selektives Verdünnen der ersten Oxidsupraleiterschicht zur Bildung eines Mesas;

(iii) epitaktisches Abscheiden einer nichtsupraleitenden Oxidschicht über der ersten Supraleiterschicht und dem Mesa;

(iv) Verdünnen der nichtsupraleitenden Oxidschicht zur Freilegung des Mesas; und

(v) epitaktisches Abscheiden einer zweiten Oxidsupraleiterschicht über der nichtsupraleitenden Oxidschicht und dem freigelegten Mesa.

26. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Überganges nach Anspruch 1, das die Schritte aufweist:

(i) Abscheiden einer ersten Oxidsupraleiterschicht auf einem Substrat;

(ii) epitaktisches Abscheiden einer nichtsupraleitenden Oxidschicht über der ersten Supraleiterschicht;

(iii) Bilden eines Fensters durch die nichtsupraleitende Oxidschicht zur Freilegung der ersten Supraleiterschicht; und

(iv) epitaktisches Abscheiden einer zweiten Oxidsupraleiterschicht über der nichtsupraleitenden Oxidschicht und der freigelegten ersten Supraleiterschicht.

27. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Überganges nach Anspruch 1, das die Schritte aufweist:

(i) Abscheiden einer epitaktischen Oxidsupraleiterschicht auf einem Substrat;

(ii) Mustern des Supraleiters zur Bildung einer ersten Bahn;

(iii) epitaktisches Abscheiden einer nichtsupraleitenden Oxidschicht über der ersten Bahn und dem Substrat;

(iv) Planarisierung des nichtsupraleitenden Oxids zur Freilegung der ersten Bahn;

(v) epitaktisches Abscheiden einer zweiten Oxidsupraleiterschicht über dem nichtsupraleitenden Oxid und der freigelegten ersten Bahn; und

(vi) Mustern der zweiten Supraleiterschicht zur Bildung einer zweiten Bahn, die die erste Bahn kreuzt und an sie angrenzt.

28. Verfahren zur Herstellung eines supraleitenden Überganges nach Anspruch 1, das die Schritte aufweist:

(ii) Mustern der ersten Schicht zur Bildung einer Basiselektrode;

(iii) epitaktisches Abscheiden einer nichtsupraleitenden Oxidschicht über der Basiselektrode und einer zweiten Oxidsupraleiterschicht über der nichtsupraleitenden Oxidschicht;

(iv) Mustern der Schichten zur Bildung einer Kante (edge)

(v) epitaktisches Abscheiden einer dritten Oxidsupraleiterschicht im Kontakt mit der Kante; und

(vi) Mustern der dritten Schicht zum übriglassen der Mikrobrücke, die die erste Schicht und die zweite Schicht elektrisch verbindet.