DE3018510C2

DE3018510C2 - Josephson-Übergangselement

Info

Publication number: DE3018510C2
Application number: DE3018510A
Authority: DE
Inventors: Ushio Tokyo Kawabe; Yoshinobu Yamanashi Tarutani; Hiroji Hachioji Tokyo Yamada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-05-16
Filing date: 1980-05-14
Publication date: 1982-11-11
Also published as: US4319256A; DE3018510A1; NL8002814A; JPS55164860U

Description

Die Erfindung betrifft ein sandwichartiges Josephson-Übergangselement nach dem Oberbegriff des Patentan-Spruchs 1. Ein Josephson-Element dieser Art ist beispielsweise in der DE-OS 21 17 801 beschrieben.

Ein supraleitender Tunnelübergang mit Josephson-Effekt kann Veranlassung geben zu einem Übergang zwischen einer 0-Spannung und einer Grenzspannung durch Einwirkung eines Magnetfeldes. Da die Schall / it in diesem Falle im Bereich von 10—lOOps liegt, ist der Josephson-Übergang als Schaltelement besonders hervorragend geeignet. Aus diesem Grunde wurde vom Josephson-Übergangselement seine Verwendung als Bauelement für Operationen oder zur Speicherung in einem elektronischen Computer erwartet. Außerdem sind viele Einsatzzwecke, einschließlich der Anwendung als Detektor für elektromagnetische Wellen usw. bekanntgeworden.

Josephson-Übergangselemente gibt es in verschiedenen Typen und Bauformen; Dabei ist ein Sandwichartl· ges Übergangselement, bei eiern eine Spannung im Normalzustand unabhängig von Strömen oder Magrietfeldern ist, zur Verwendung in einer logischen Schaltung geeignet Pb Und Legierungen auf der Basis von Pb sind bislang für supraleitende Elektroden bei sandwichartigen Übergarigselefhenteri Verwendet Worden, Die Materialien Pb und Legierungen auf der Basis von Pb haben den Vorteil, daß sich die Übergänge ohne weiteres herstellen lassen. Die Josephson-Elemente, die sie verwenden, haben jedoch die Schwierigkeit, daß ein Hügel in einer Basiselektrode aufgrund des Temperaturwechsels zwischen Raumtemperatur und der Temperatur von flüssigem Helium auftritt und eine Oxidsperrschicht zerreißt, was zu einer Verschlechterung der Josephson-Spannung-Strom-Charakteristik führt Da darüber hinaus die kritische Temperatur des die Elektrode bildenden Materials einen sehr niedrigen Wert von ungefähr 7 K aufweist, ist es schwierig, die Betriebstemperatur des Elementes auf einen Wert von ungefähr 5 K oder höher zu bringen. Bei der Betriebstemperatur von ungefähr 5 K kann das Josephson-Übergangselement nicht betrieben werden, indem es mit einer Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf gekühlt wird, und es ist erforderlich, das Element in flüssiges Helium einzutauchen, uir. damit zu arbeiten.

Man kennt auch Nb als Material für supraleitende Elektroden bei sandwichartigen losenhson-Übergangselementen. Das Material Nb bildet keinen Hügel wie die Materialien Pb und Pb-Legierungen; ferner liegt seine kritische Temperatur um ungefähr 2 K höher als die von Pb und beträgt ungefähr 9 K, so daß es besser ist als Pb und Pb-Legierungen als Material für die Elektrode eines Jo ;ephson-Übergangselementes. Auch ein Josephson-Übergangselement unter Verwendung von Nb für die Elektrode hat jedoch eine Betriebstemperatur von ungefähr 6 K. Es kann daher auch nicht betrieben werden, indem man es mit einer Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf kühlt, und es ist immer noch erforderlich, die Kühlung mit flüssigem Helium vorzunehmen.

Als supraleitende Materialien mit hohen kritischen Temperaturen sind eine große Anzahl von Materialien bekanntgeworden, zu denen NbjSn. NbiGe, V₃Si usw. gehören, die alle höhere kritische Temperaturen als Nb besitzen. Es hat den Anschein, .'aß dann, wenn die Elektroden aus diesen Materialien hergestellt werden, sich Josephson-Übergangselemerite herstellen lassen, die betrieben werden können, indem man sie mit Kältemaschinen mit geschlossenem Kreislauf kühlt. In Wirklichkeit jedoch ist es in den Fällen, wo ein derartiges Material als Gegenelektrode auf eine Grenzschicht aufgedampft wird, erforderlich, daß die Subtrattemperatur oder die Temperatur des zusammengesetzten Körpers, bestehend aus einer Basiselektrode und der Grenzscnicht, auf einige 100° C oder mehr gebracht wird. Wenn das Material der Gegenelektrode bei derartig hohen Temperaturen aufgebracht wird, reagieren die Grenzschicht und das Material der aufgebrachten Elektrode miteinander oder es treten feine Löcher (pinholes) in der Grenzschicht auf. was zu dem Ergebnis führt, daß ein guter Josephson-Effekt an dem Übergang nicht erreicht wird, wie es zu erwarten ist. Andererseits ist es so, daß auch dann, wenn ein Material wie NbjSn auf die Grenzschicht bei einer Substrattemperatur von weniger als ungefähr 500^cC aufgedampft wird, keine Elektrode hoher kritischer Temperatur erzeugt wird, Dementsprechend ist es so, daß auch dann, wenn diese Materialien für die Gegenelektrode von sandwicharflgeri Josephsön-Übergangselementen Verwendet werden, die hergestellten Elemente nicht betrieben werden können, Indem man sie mit einer Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf kühlt

Man kann daher sagen, daß es bislang keine sandwichartigen Josephson-Übergangselemente gegeben hat, die betriebsfähig sind, wenn man sie mit einer Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf kühlt, ohne Hüssiges Helium zu verwenden. Die Leistungsfähigkeit von derzeitigen Kältemaschinen mit geschlossenem Kreislauf beträgt ungefähr 6,5—9 K, ausgedrückt in Temperaturen am kühlen Ende bei einer Kühlleistung von 0, ungefähr 8,2—9,8 K bei einer Kühlleistung von 0,5 W und ungefähr 9—10 K bei einer Kühlleistun}! von I W. Es stellt sich heraus, daß ein Josephson-Übergangselement, das bei Kühlung mit einer Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf betriebsfähig sein soll, eine Betriebstemperatur von ungefähr 8,5 K oder mehr haben muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein sandwichartiges Josephson-Übergangselement anzugeben, das frei von Verschlechterungen oder Zerstörungen aufgrund von Alterung oder eines Temperaturwechsels ist und das hohe Betriebstemperaturen aufweist, wobei ein derartiges sandwichartiges Josephson-Qbergangselement eine hohe Lebensdauer aufweisen und betriebsfähig sein soll, wenn man es mit einer Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf kühlt.

Zur Erreichung dieses Zieles wird gemäü der Erfindung ein sandwichartiges Josephson-Übergangselement angegeben, welches eine Basiselektrode aus einem supraleitenden Material, eine Sperrschicht, die aus einer auf der Basiselektrode aufgebrachten Isolierschicht und/oder einer Halbleiterschicht besteht, sowie eine auf die Sperrschicht aufgebrachte Gegenelektrode aus supraleitendem Material aufweist und sich dadurch auszeichnet, daß die Gegenelektrode aus einer Mo-ReLegierung besteht, die 10—90 Atom-% Re enthält und daß die Basiselektrode aus einem supraleitenden Material besteht, dessen kritische Temperatur größer oder gleich dieser Mo-Re-Legierung ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein bevorzugter Bereich des Re-Gehaltes der die Gegenelektrodp bildenden Mo-Re-Legierung liegt bei 20—80 Atom-%. während der bevorzugteste Bereich des Re-Gehaltes 35 —50 Atom-% ausmacht. Die kritische Temperatur der Mo-Re-Legierung. deren Re-Gehalt zwischen 10 Atom-% und 90 Atom-% liegt, beträgt ungefähr 7 K. Mo-Re-Legierungen, deren Re-Gehalte niedriger als ¹O Atom % oder höher ils 90 Atom-% ausmachen, haben kritische Temperaturen unterhalb von 7 K, welche in ungünstiger Weise niedriger sind als die kritische Temperatur von Pb oder Pb-Legierungen. ^o die als Elektrodenmaterial bei Josephson-Elementen gemäß dem Stande der Technik verwendet werden. Die kritischen Tenperaturen der Mo-Re-Legierungen. deren Re-Gehalte 20-80 Atom-% bzw. 35-50 Atom-°/o ausmachen, betragen ungefähr 9 K oder darüber bzw. ungefähr 13 K, wobei beide Werte höher liegen als die kritische Temperatur von Nb bei herkömmlichen Anordnungen.

Die kritische Temperatur des basiselektrodenmaterials ist größer oder gleich derjenigen des Cjegenelek- &o trodenmaterials. Bevorzugte Materialien für die Basiselektrode sowie ihre ungefähren kritischen Temperaturen, die in Klammern angegeben sind, sind folgende: V₃Si (17 K)₁ V₃Ga (15 K)₁ V₃Al (13 K), Nb₃Ga (20,5 K), Nb₃Al (18,7 K), Nb₃Si (9,9 K), Nb₃Ge (23 K), Nb₃Sn &5 (18 K), NbN (16 K), MOC (13 K) und MoN (13 K). Es versteht sich von selbst- daß die für die Gegenelektrode angegebenen Mo^Re^Legienmgen auch als Materialien für die Basiselektrode verwendet werden können, wobei hinsichtlich des Bereiches für den Re-Gehalt das gleiche gilt wie für die Gegenelektrode. Wenn in diesem Falle die Gegenelektrode und die Basiselektrode aus demselben Material hergestellt werden, läßt sich die Herstellung weiter vereinfachen. Jedes dieser supraleitenden Materialien enthält ein Übergangsmetallelement, z. B. Nb, Mo oder Re zumindest zu einem Teil.

Die Dicke der Gegenelektrode beträgt mindestens 200 nm und die der Basiselektrode beträgt 150—200 nm oder mehr, obwohl sie etwas in Abhängigkeit davon schwankt, welches Herstellungsmaterial verwendet wird. Geringere Dicken sind ungünstig, da der magnetische Abschirmeffekt dann unzureichend wird. Obwohl die jeweiligen Elektroden hinsichtlich ihrer Dicke nicht unbedingt die obere Grenze haben, sind sie selten so ausgebildet, daß sie sehr dick sind, um die Bauelemente zu miniaturisieren, die Kühlung zu erleichtern, die Zeitspanne zur Herstellung der Elektroden zu verkürzen usw. Oft ist es zweckmäßig, die Gegenelektrode mit einer Dicke von etwa 400 nm und die Basiselektrode mit einer Dicke v^· 200—400 nm auszubilden.

Im allgemeinen wird die Sperrschicht aus einer Isolierschicht oder einer Halbleiterschicht hergestellt. Besonders bevorzugt als Sperrschicht wird eine Schicht, die einen Siliziumoxidfilm aufweist, der durch thermische Oxydation einer Si-Schicht erhalten worden ist, die mit einer Dicke von 1— 5 nm aufgebracht worden ist. Üblicherweise beträgt die Dicke der Si-Schicht ungefähr 1,5—3 nm. Wenn die Sperrschicht zu dünn ist, besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, daß ein Kurzschluß zwischen der Gegenelektrode und der Basiselektrode auftritt, und wenn die Sperrschicht zu dick ist, kann man nicht damit rechnen, daß der Tunneleffekt auftritt. Üblicherweise wird der Oberflächenbereich der Si-Schicht durch thermische Oxydation der Si-Schicht in eine Siliziumoxidschicht umgewandelt, während eine nicht oxydierte Si-Schicht unter der Siliziumoxidschicht bleibt, um eine Doppelscnicht aus einer Siliziumoxidschicht und einer Siliziumschicht zu bilden. In einigen Fällen wird jedoch die gesamte Si-Schichi oxydiert.

üie Basiselektrode, die durch Oxydation in die Grenzschicht umzuwandelnde Si-Schicht und die Gegenelektrode können durch Verdampfung hergestellt werden. Die Substrattemperatur, d. h. die Temperatur eines zusammengesetzten Körpers, der aus der Basiselektrode und der Sperrschicht besteht, kann zu dem Zeitpunkt, wenn die Mo-Re-Legierung der Gegenelektrode verdampft wird, den Wert der Raumtemperatur oder niedrigere Werte haben.

Ein Substrat, das geeignet ist um die Basiselektrode darauf aufzudampfen, besteht zumindest an seiner Obe^-flä«.ne aus einem Isolator. Üblicherweise werden AI₂Oj. S1O2. Glas. Silizium dessen Oberfläche mit einen durch Oxydation hergestelltem SiOj-FiIm überzogen ist. und andere verschiedene flache Materialien, deren Oberflächen mit Isolatoren überzogen sind, als Substrate verwendet, auf weiche die Basiselektroden aufgedampft werden.

In den Fällen, wo das sandwichartige josephson-Element als Bauelement in einer Logikschaltunp oder dgl. verwendet wird, wird im allgemeinen so vorgegangen, daß eine Basiselektrode auf ein Substrat aufgebracht Wird, das aus einer geschliffenen Platte mit einer darauf ausgebildeten Isolierschicht besteht, und daß eine Steuerleitung auf dem Element durch eine Isolierschicht

angeordnet ist. Das sandwichartige josephson-Elemenl gemäß der Erfindung kann selbstverständlich bei einer derartigen Konstruktion zum Einsatz gelangen.

Das erfindungsgemäße sahdwichaftige Josephson-Element der oben beschriebenen Art Unterliegt keiner -, Zerstörung aufgrund Von Alterung oder einer Temperaturänderung, da das Auftreten eines Hügels oder Ätzhügels nicht festzustellen ist. Darüber hinaus kann es bei einer höheren Temperatur arbeiten als die bisher bekannten Elemente, und es ist möglich, mit einer Kühlung mit einer Kältemaschine mit geschlossenem Kreislauf zu arbeiten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die r, Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine Darstellung im Schnitt zur Erläuterung einer Ausführungsform des sandwichartigem Josephson-Übergangselementes gemäß der Erfindung; und in

C I rt O aino rrrankicnhA riarctf>lI|inCT 7ΙΙΓ FrlätltprUncr

* * &· ** *·«·««· o^tMr"·" -..- — — _σ — ο-

der Strom-Spannung-Charakteristik des erfindungsgemäßen sandwichartigen Josephson-Übergangselementes.

Beispiel

Fig. 1 zeigt im Schnitt ein Beispie! eines Josephson-Übergangselementes. Bei der Darstellung gemäß F i g. 1 besteht das Josephson-Übergangselement aus einem Substrat 1, das aus AI2O3 (Saphir) besteht, einer Basiselektrode 2 in Form eines V₃Si-Filmes, einer Sperrschicht 3, die aus einer Siliziumoxidschicht oder einer Doppelschicht aus einer Siliziumoxidschicht und einer Siliziümschicht besteht, sowie einer Gegenelektrode 4 aus einer Mo-Re-Legierung. Das Element wird in der nachstehend beschriebenen Weise hergestellt.

Während das Substrat 1, ^as aus AI2O3 besteht und dessen Oberfläche sauber war, auf ungefähr 900⁰C aufgeheizt ist, wird VjSi durch eine Metallmaske aus Mo mit einem vorgegebenen Muster durch Vakuumverdampfung bis zu einer Dicke von ungefähr 400 nm auf -ίο das Substrat aufgebracht. Auf diese Weise wird die Basiselektrode 2 hergestellt. Bei der Verdampfung werden V und Si aus einzelnen und unabhängigen Verdampfungsquellen in einem Vakuum von 10-⁵Pa verdampft und die Verdampfungsgeschwindigkeiten der entsprechenden Materialien so festgelegt, daß eine gleichmäßige Verdampfungsschicht entsteht; ein derartiges Aufdampfungsverfahren mit einer gleichzeitigen Verdampfungstechnik ist ansich bekannt.

Anschließend wurde die Substrattemperatur auf ungefähr 300⁰C gebracht und Si durch die Metallmaske mittels Vakuumverdampfung bis zu einer Dicke von 2—3 nm aufgebracht, indem man eine Elektronenstrahlbeheizung verwendete. Anschließend wurde die Substrattemperatur auf etwa 4O⁰C gebracht und Sauerstoff eingeleitet, um eine Sauerstoffalmosphäre unter 10⁵ Pa aufzubauen, die für eine Stunde aufrechterhalten wurde, um die Oberflächenschicht des aufgedampften Siliziumfilmes in Siliziumoxid umzuwandeln. Auf diese Weise wurde die Sperrschicht 3 hergestellt. Da die identische Metallmaske für die Aufdampfung der VjSi-Schicht und die Aufdampfung der Si-Schicht verwendet wurde, lagen die Positionen der beiden Schichten ohne Verschiebung übereinander.

Anschließend wurde das mit der Basiselektrode 2 und der Sperrschicht 3 versehene Substrat 1 der oben beschriebenen Art auf einem Substrathalter angeordnet, rfpr mit fiii«igpm Stickstoff gekühlt wurde, und es wurde eine Mo-Re-Legierung, die 42 Atom-% Re enthielt, durch eine Metallmaske aus Mo mit einem vorgegebenen Muster mit der gleichzeitigen Verdampfungstechnik bis zu einer Dicke von etwa 400 nm auf das Substrat aufgedampft. Auf diese Weise wurde die Gegenelektrode 4 hergestellt. Die Metallmaske war in diesem Falle eine andere als die Metallmaske, die zum Aufdampfen der VjSi-Schicht und der Si-Schicht verwendet wurde.

Die ipweiligen Elektroden des in der oben beschriebenen Weise hergestellten Josephson-Elementes wurden durch Verdampfung mit In-Elektroden versehen, anschließend wurden die Eigenschaften des Josephson-Elementes gemessen. Als Ergebnis stellte sich heraus, daß das sandwichartige losephson-Element des beschriebenen Ausführungsbeispiels keine Verschlechterung seiner Eigenschaften aufgrund eines Mikrokurzschlusses erlitt, eine geeignete Spannung-Strom-Kennlinie bei Gleichspannung für ein Schaltelement aufwies und frei von Zerstörung oder Verschlechterung seiner Eigenschaften aufgrund von Temperaturänderungen oder seiner Anordnung in Luft war. Josephson-Eigenschaften und supraleitende Tunnelübergänge konnten bis zu 9—1OK gemessen werden. Die kritische Temperatur der Gegenelektrode betrug ungefähr 13 K.

F i g. 2 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhanges zwischen dem Strom und der Spannung des sandwichartigen Josephson-Elementes beim vorliegenden Ausführungsbeispiel.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sandwichartiges Josephson-Übergangselement, mit einer Basiselektrode aus einem supraleitendem Material, mit einer Sperrschicht aus einer Isolier- <> schicht und/oder einer Halbleiierschicht auf der Basiselektrode und mit einer Gegenelektrode aus einem supraleitendem Material, die auf die Sperrschicht aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode aus einer Mo-Re-Legierung besteht, die 10—90 Atom-% an Re enthält, und daß die Basiselektrode aus einem supraleitenden Material besteht, dessen kritische Temperatur größer oder gleich dieser Mo-Re-Legierung isL ι*

Z Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mo-Re-Legierung 20—80 Atom-% an Re enthält.

3. Element nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Mo-Re-Legierung 40—50 Atom-% an Re enthalt

4. Element nach einem der Ansprüche ! bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Bestandteil des die Basiselektrode bildenden Materials ein Metall der Qbergangselemente ist

5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Basiselektrode bildende Material V₃Si, V₃Ga, V₃Al, Nb₃Ga, Nb₃AI, Nb₃Si, Nb₃Ge, Nb₃Sn, NbN, MoC, MoN oder eine Mo-Re-Legierung mit 10—50 Atom-% an Re ist.

6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge'· ^anzeichnet, daß das die Basiselektrode bildende Material aus derselben Mo-Re-Legierung besteht wie das die Gegenelektrode bildende, supraleitende Material.

7. Element nach einem dei Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des die Sperrschicht bildenden Materials aus Siliziumoxid besteht.

40