NL8900405A - Werkwijze voor het vervaardigen van een josephson junktie. - Google Patents

Description

t.n.v. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven Werkwijze voor het vervaardigen van een Josephson junktie.

De uitvinding betreft een werkwijze voor het vervaardigen van een Josephson junktie uit twee lagen van een oxidisch supergeleidend materiaal, met daartussen ten minste één niet-supergeleidende laag.

Een dergelijke werkwijze is beschreven in een artikel van M.G. Blamire et.al., in J.Phys.D: Appl.Phys. 2Q, bladzijden 1330-1335 (1987). Daarbij wordt op een substraat uit saffier een bufferlaag uit Y2O3 aangebracht, met daarop een eerste oxidische supergeleidende laag uit Yï^Cu-jO-j.g. Vervolgens wordt een dunne laag uit Y2O3 aangebracht welke dienst doet als tunnelbarrière. Daarna wordt een tweede laag uit Yl^Cu-jO-j.g aangebracht, waarop desgewenst contacten uit Nb worden geplaatst. De dunne lagen worden vervaardigd door middel van dc magnetron sputteren met metallische trefplaten in een oxiderende atmosfeer. In de lagen worden patronen aangebracht door middel van plasmaetsen of ionetsen.

Dunne lagen uit oxidisch supergeleidend materiaal kunnen met verschillende, op zich bekende methoden worden verkregen. Daarbij is in het algemeen een behandeling bij hoge temperatuur noodzakelijk ter verkrijging van de gewenste samenstelling, vooral ten aanzien van de zuurstofhuishouding en de valentie van metaalatomen, met name koperatomen. Dunne lagen uit het oxidische supergeleidende materiaal YE^Cu^O^j worden bijvoorbeeld volgens M. Gurvitch et.al., zie Appl.Phys.Lett. 51 (13), bladzijden 1029-1029 (1987), vervaardigd door middel van de magnetron sputterdepositie onder toepassing van metallische trefplaten in een oxiderende atmosfeer, gevolgd door uitstoken bij hoge temperatuur, bijvoorbeeld 800° tot 900°C. Andere veel toegepaste werkwijzes zijn opdampen, laserablatie en chemische depositie vanuit de dampfase. C.E. Rice et.al. beschrijven in Appl.Phys.Lett. 52 (21), bladzijden 1828-1830 (1988), een werkwijze voor het vervaardigen van dunne lagen uit Ca-Sr-Bi-Cu oxides door middel van het opdampen van CaF2, SrF2, Bi en Cu, gevolgd door oxidatiestappen bij 725° en 850°C. De behandelingen bij hoge temperatuur zijn nodig om een materiaal te verkrijgen met een hoge waarde van de kritische temperatuur Tc, dat is de temperatuur waarbeneden supergeleidend gedrag optreedt.

Als echter de werkwijze volgens het hiervoor genoemde artikel van H.G. Blamire et.al. wordt toegepast voor het vervaardigen van een junktie uit twee lagen van een oxidisch supergeleidend materiaal, treedt daarbij het probleem op, dat tijdens het uitstoken van de tweede laag, de nauwkeurige definitie van de lagenstructuur verstoord wordt door diffusie, vervorming en andere processen die bij hoge temperatuur optreden. Dat geldt zowel voor de definitie in de dikterichting van de laag (diffusie), als voor de laterale definitie in het geval dat de lagen patroonmatig zijn vervaardigd.

De uitvinding beoogt ondermeer een werkwijze te verschaffen voor het vervaardigen van een Josephson junktie, waarbij de afmetingen nauwkeurig kunnen worden vastgelegd. De uitvinding beoogt vooral een werkwijze te verschaffen, waarbij die nauwkeurigheid niet nadelig wordt beïnvloed door een bewerking bij hoge temperatuur, die in het algemeen nodig is om een goed supergeleidend materiaal te verkrijgen, bij toepassing van oxidische supergeleidende materialen. De uitvinding beoogt een eenvoudige werkwijze voor het vervaardigen van een Josephson junktie te verschaffen, zonder afhankelijk te zijn van het ter beschikking komen van een bij lage temperatuur werkend proces voor het vervaardigen van een oxidisch supergeleidend materiaal.

Aan deze opgave wordt volgens de uitvinding voldaan door een werkwijze zoals in de aanhef is beschreven, waarbij twee lagen uit oxidisch supergeleidend materiaal elk worden bedekt met een laag uit een edelmetaal en tegen elkaar worden geperst bij een temperatuur die lager is dan 250°C.

In een geschikte uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is de niet-supergeleidende laag een normale elektrisch geleidende laag uit een edelmetaal, bij voorkeur gekozen uit goud en zilver.

In een alternatieve uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding wordt op ten minste één van de edelmetaallagen een elektrisch isolerende laag aangebracht vóór het tegen elkaar persen van de supergeleidende lagen. Met deze werkwijze wordt een produkt vervaardigd, waarin de niet-supergeleidende laag een elektrisch isolerende laag is, welke met de supergeleidende lagen is verbonden via lagen uit edelmetaal, bij voorkeur gekozen uit goud en zilver. De isolerende lagen worden bijvoorbeeld vervaardigd uit zirkoonoxide of hafniumoxide.

In een bijzonder geschikte uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding zijn de supergeleidende lagen aangebracht op substraten uit strontiumtitanaat.

De met de werkwijze volgens de uitvinding verkregen nauwkeurigheid van de afmetingen van de junktie is van bijzonder belang, omdat de supergeleidende coherentielengte in oxidische supergeleiders zeer klein is, in de orde van grootte van 1 nm. Daardoor is vooral een dunne laag aan het oppervlak van de oxidische supergeleider bepalend voor de karakteristieke eigenschappen van de junktie. Een bijzonder voordeel van de met de werkwijze volgens de uitvinding vervaardigde junkties is daarom, dat het oppervlak van het supergeleidende materiaal in contact is met een edelmetaal, zodat in de diverse bewerkingsstappen van de werkwijze en daarop volgende bewerkingen de zuurstofhuishouding van het supergeleidende materiaal niet wordt verstoord.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden en een tekening, waarin

Figuur 1 a-c schematisch een aantal stappen uit de werkwijze volgens de uitvinding toont, waarin

Figuur 2 a-c schematisch een aantal stappen uit een alternatieve werkwijze volgens de uitvinding toont, en waarin

Figuur 3 a-b schematisch een bijzondere uitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding toont.

Uitvoerinqsvoorbeeld 1.

Figuur 1a toont een substraat 10 uit strontiumtitanaat SrTi03, waarop een oxidische supergeleidende laag 11 uit Yï^Cu^Og η is aangebracht, bijvoorbeeld door middel van opdampen, waarbij het substraat op een temperatuur van 850°C wordt gehouden. Ook andere substraatmaterialen, bijvoorbeeld MgO, Y2O3 en substraten zoals saffier met beschermende bufferlagen, bijvoorbeeld Ta20g,

LaF3 en Zr02 kunnen met goed gevolg in de werkwijze volgens de uitvinding worden toegepast.

In het supergeleidende materiaal kunnen op bekende wijze substituties worden toegepast, zonder dat de effectiviteit van de werkwijze volgens de uitvinding daardoor wordt aangetast. Zo kan Y bijvoorbeeld geheel of gedeeltelijk door zeldzame aardmetaalionen worden vervangen, Ba kan worden vervangen door Sr of Ca, en 0 kan gedeeltelijk worden vervangen door F. De uitvinding kan ook worden toegepast met andere oxidische supergeleidende materialen, zoals Ca-Sr-Bi-Cu oxides, (La,Sr}2^0^ en cupraten welke naast Tl ook nog Ca en/of Ba bevatten.

In plaats van door middel van opdampen, kan de laag 11 bijvoorbeeld door middel van sputteren worden vervaardigd, onder toepassing van een trefplaat met de gewenste samenstelling. Het substraat wordt daarbij op een hoge temperatuur gehouden, maar het is ook mogelijk om de depositie bij lagere temperatuur te doen plaatsvinden. In dat geval is een nabehandeling bij hoge temperatuur nodig om de gewenste supergeleidende eigenschappen te verkrijgen.

In een geschikte uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding wordt de laag 11 vervaardigd door dc triode sputteren met een spanning van 1 kV in Ar bij een druk van ongeveer 1 Pa. Het materiaal wordt omgezet in supergeleidend materiaal door een thermische behandeling bij 800° tot 900°C in lucht gedurende 4 uur.

Op de laag 11 wordt, bijvoorbeeld door middel van opdampen, een laag 12 uit goud aangebracht met een dikte van 0.1 tot 10 pm, zie Figuur 1b. Er wordt nagestookt bij 450°C om een goed geleidend contact te verkrijgen tussen het goud en het supergeleidende materiaal.

In plaats van goud kan bijvoorbeeld ook zilver met goed gevolg worden toegepast.

Twee supergeleidende lagen, elk voorzien van een laag edelmetaal, worden op elkaar geperst bij een temperatuur van 200°C en een persdruk van ongeveer 30 N/mm in een zuurstofatmosfeer. Figuur 1c toont de op deze wijze vervaardigde junktie, bestaande uit substraten 10, 10', met supergeleidende lagen 11, 11', gescheiden door een normale geleidende laag 12.

Vóór het samenpersen van de twee delen van de junktie kunnen desgewenst op bekende wijze patronen in de lagen worden aangebracht, bijvoorbeeld door middel van fotolithografische technieken, gevolgd door plasma- of ionetsen.

Uitvoeringsvoorbeeld 2.

Een Josephson junktie wordt vervaardigd op de in het vorige uitvoeringsvoorbeeld aangegeven wijze, waarbij echter tussen de supergeleidende lagen een elektrisch isolerende laag wordt aangebracht.

Figuur 2a toont een substraat 20' uit strontiumtitanaat met een laag 21' uit Yl^CujOg 7, voorzien van een goudlaag 22'.

Figuur 2b toont een substraat 20 uit strontiumtitanaat met een laag 21 uit YBa2Cuj0g η, voorzien van een goudlaag 22, waarop een elektrisch isolerende laag 23 is aangebracht, volgens dit voorbeeld uit hafniumoxide Hf02, bijvoorbeeld met een dikte van 0.1 tot 10 pm. De laag 23 wordt bijvoorbeeld vervaardigd door middel van opdampen van hafnium in een oxiderende atmosfeer, In plaats van hafniumoxide kan bijvoorbeeld ook zirkoonoxide ZrÜ2 worden toegepast.

Figuur 2c toont het resultaat na samenpersen van de lagen uit de Figuren 2a en 2b. De junktie wordt gevormd door de supergeleidende lagen 21, 21' en de elektrisch isolerende laag 23.

Tussen de isolerende laag en de supergeleidende lagen bevinden zich beschermende lagen 22, 22' uit edelmetaal. Volgens dit voorbeeld bevinden de supergeleidende lagen zich op inerte dragers 20, 20'.

Uitvoeringsvoorbeeld 3.

Een Josephson junktie wordt vervaardigd op de in uitvoeringsvoorbeeld 1 aangegeven wijze, waarbij echter tussen ten minste één van de supergeleidende lagen en de edelmetaallaag een additionele laag wordt aangebracht.

Figuur 3a toont een substraat 30' uit strontiumtitanaat met een laag 31' uit YBa2Cu30g 7, voorzien van een goudlaag 32'.

Figuur 3b toont een substraat 30 uit strontiumtitanaat met een laag 31 uit YBa2Cu30g ?, welke laag volgens een gewenst patroon is bedekt met een laag 34 uit een materiaal dat bij verhoogde temperatuur zodanig reageert met het oxidische supergeleidende materiaal locaal geen supergeleidend gedrag vertoont, bijvoorbeeld een laag uit molybdeen of aluminiumoxide. In deze laag is volgens het voorbeeld een opening

, O

uitgespaard met bijvoorbeeld een oppervlak van 10 pm . Vervolgens wordt een goudlaag 32 aangebracht en op de hiervoor aangegeven wijze een junktie gevormd uit de in Figuur 3a en 3b getoonde delen.

De supergeleidende laag is op deze wijze aan het oppervlak gedeeltelijk bedekt met een isolerende laag, zoals ook is beschreven in de Europese octrooiaanvrage EP-A-0300567. Op deze manier is een Josephson junktie vervaardigd met een klein effectief oppervlak, maar met een grote mechanische sterkte.

Claims (6)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een Josephson junktie met twee lagen van een oxidisch supergeleidend materiaal, met daartussen ten minste één niet-supergeleidende laag, met het kenmerk, dat twee lagen uit oxidisch supergeleidend materiaal elk worden bedekt met een laag uit edelmetaal en tegen elkaar worden geperst bij een temperatuur die lager is dan 250°C.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de niet-supergeleidende laag een normale elektrisch geleidende laag is uit edelmetaal, bij voorkeur gekozen uit goud en zilver.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat op ten minste één van de edelmetaallagen een elektrisch isolerende laag wordt aangebracht vóór het tegen elkaar persen van de supergeleidende lagen.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de niet-supergeleidende laag een elektrisch isolerende laag is, welke met de supergeleidende lagen is verbonden via lagen uit edelmetaal, bij voorkeur gekozen uit goud en zilver.

5. Werkwijze volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat de isolerende laag wordt vervaardigd uit zirkoonoxide of hafniumoxide.

6. Werkwijze volgens een der conclusies 1 tot en met 5, met het kenmerk, dat de supergeleidende lagen zijn aangebracht op substraten uit strontiumtitanaat.