DE2164684B2 - Failsafe Josephson Contact and Process for Making It - Google Patents
Failsafe Josephson Contact and Process for Making ItInfo
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- H10N60/00—Superconducting devices
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Description
Die Erfindung betrifft einen Josephson-Kontakt nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to a Josephson contact according to the preamble of the main claim and a Process for its manufacture.
Die grundlegenden theoretischen Erklärungen des Josephson-Tunnel-Effekts sind in dem Artikel »Possible New Effekt in Superconductive Tunneling«, veröffentlicht im Juli 1962 in »Physics Letters«, Seiten 251 bis 252, beschrieben worden. Eine Anwendung dieses Josephson'schen Tunnel-Effekts ist für Schaltkreise und logische Schaltungen in der USA-Patentschrift 81 609 angegeben.The basic theoretical explanations of the Josephson Tunnel Effect are in the article »Possible New Effect in Superconductive Tunneling ", published in July 1962 in" Physics Letters ", pages 251 to 252, has been described. One application of this Josephson tunnel effect is for circuits and logic circuits are disclosed in U.S. Patent 81,609.
Außerdem ist in der deutschen Offenlegungsschrift 34 278 eine Speicheranordnung mit zugehörigenIn addition, in German Offenlegungsschrift 34 278, a memory arrangement with associated Decodierschaltungen angegeben, bei dem eine Speicherzelle aus zwei Torschaltungen, die nach dem Josephson-Tunnel-Effekt arbeiten, besteht, indem die eine der beiden Torschaltungen in einem von zwei Schenkeln der Speicherzelle Hegt und die andere in dem anderen Schenkel Bei derartig aufgebauten Josephson-Einheiten bestehen die Elektroden aus sogenannten Superleitern, die Tunnelbarriere ist im allgemeinen ein Oxid der Basiselektrode. Die Tunnelbarriere kann auchDecoding circuits specified in which a memory cell consists of two gate circuits, which after the The Josephson Tunnel Effect work consists in placing one of the two gates in one of two Legs of the storage cell Hegt and the other in the other leg. In Josephson units constructed in this way, the electrodes consist of so-called Superconductors, the tunnel barrier is generally an oxide of the base electrode. The tunnel barrier can too
ίο aus Sulfiden, Nitriden oder auch aus einem Vakuum bestehen.ίο from sulfides, nitrides or from a vacuum exist.
Durch diese Zwischenschicht bzw. das dazwischenliegende Vakuum bilden sich bei derartigen Speicherschaltungen in der Praxis sogenannte »Hiliocks«, d.h.Due to this intermediate layer or the vacuum in between, so-called "Hiliocks" are formed in practice in such memory circuits, i.e.
-,5 Defekte in der Oberfläche in Form von warzenförmigen Erhebungen.-, 5 defects in the surface in the form of wart-shaped Surveys.
Bedingt durch diese warzenförmigen Erhebungen treten Störungen in der Betriebsweise derartig aufgebauter Speicherzellen auf, so daß sie in der Praxis nichtAs a result of these wart-shaped elevations, disturbances occur in the mode of operation of memory cells constructed in this way, so that they do not occur in practice verwendbar sind.are usable.
Der Erfindung Siegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Josephson-Kontakt anzugeben, bei dem keine warzenförmigen Erhebungen auftreten. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1The invention is therefore based on the object of specifying a Josephson contact in which none wart-shaped bumps occur. This object is achieved by the in claims 1 und 9 gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnetand 9 identified invention solved; Refinements of the invention are set out in the subclaims marked
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Josephson-Kontaktes besteht darin, daß durch die intermetallischeThe advantage of the Josephson contact according to the invention is that the intermetallic
M Verbindung d?r Elektroden keine warzenförmigen Erhebungen mehr auf der Oberfläche entstehen können, wodurch es möglich ist, 100%ig sicher arbeitende Josephson-Kontakte aufzubauen, die insbesondere für ausfallsichere supraleitende Datenspeicher verwendbarM connection between electrodes no wart-shaped Elevations can arise more on the surface, making it possible to work 100% safely Establish Josephson contacts, which can be used in particular for fail-safe superconducting data storage devices sind.are.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigtEmbodiments of the invention will now be described in more detail with reference to drawings. It shows
F i g. 1 einen Josephson-Kontakt mit darüberliegender Steuerleitung,F i g. 1 a Josephson contact with an overlying control line,
F i g. 2 eine Strom-Spannungskurve für einen konventionellen Josephson-Kontakt,F i g. 2 a current-voltage curve for a conventional Josephson junction,
Fig.3A—3C Schnittansichten des Josephson-Kontakts der F i g. 1 mit verschiedenen Ausführungsbeispielen der supraleitenden Elektrodenstruktur. Insbesonde-3A-3C are sectional views of the Josephson junction of FIG. 1 with various exemplary embodiments of the superconducting electrode structure. In particular re Fig.3A zeigt einen Josephson-Kontakt gemäß Fig. 1, in welchem ein mit der supraleitenden Basiselektrode eine intermetallische Verbindung erzeugendes Material auf dem Substrat niedergeschlagen wird. Fig.3B zeigt einen Josephson-Kontakt nachre Fig.3A shows a Josephson contact according to FIG. 1, in which one with the superconducting Base electrode deposited an intermetallic compound producing material on the substrate will. 3B shows a Josephson junction
so Fig. 1, in welchem ein die intermetallische Verbindung mit den supraleitenden Elektroden bildendes Material als eine Schicht auf dem Substrat und auf der oberen Elektrode niedergeschlagen wird. In Fig.3C ist ein Josephson-Kontakt dargestellt, bei dem das eineso Fig. 1, in which the intermetallic compound forming material with the superconducting electrodes as a layer on the substrate and on top Electrode is deposited. In Fig.3C a Josephson contact is shown in which one intermetallische Verbindung mit den Elektroden erzeugende Material in der Basiselektrode und in der Gegenelektrode des Kontakts niedergeschlagen wird.material in the base electrode and in the intermetallic compound with the electrodes Counter electrode of the contact is deposited.
F i g. 3D einen Josephson-Kontakt, dessen Basiselektrode zwei Schichten eines die intermetallische Verbin-F i g. 3D a Josephson junction, the base electrode of which has two layers of an intermetallic compound dung bildenden Materials aufweisthas formation forming material
Der in F i g. 1 gezeigte Josephson-Kontakt 10 hat eine Basiselektrode 12a und eine Gegenelektrode 12f>, die durch eine Tunnelbarriere 14 voneinander getrennt sind. Die Basiselektrode 12a ist direkt auf dem Substrat 16The in F i g. 1 Josephson junction 10 shown has a base electrode 12a and a counter electrode 12f>, the are separated from one another by a tunnel barrier 14. The base electrode 12a is directly on the substrate 16 niedergeschlagen, welches aus einem Isoliermaterial, wie Siliciumglas usw. bestehen kann. Auf einem anderen geeigneten Substrat ist ein Metall niedergeschlagen, welches als Grundlage dient und vor der Bildung desdeposited, which may consist of an insulating material such as silicon glass, etc. On another Suitable substrate is a metal deposited which serves as the basis and prior to the formation of the
Josephson-Kontaktes oxidiert wurde. Eine Basiselektrode 12a und die Gegenelektrode 126 können aus supraleitenden und verschiedenen Materialien bestehen. Ober dem supraleitenden Kontakt 10 befindet sich eine davon durch die Isolierschicht 20 getrennte Steuerleitung 18, die ein beliebiger Supraleiter sein kann, während die Isolierschicht 20 ein geeigneter elektrischer Isolator wie SiO oder PbO istJosephson contact was oxidized. A base electrode 12a and the counter electrode 126 can be made from superconducting and various materials exist. There is one above the superconducting contact 10 control line 18 separated therefrom by insulating layer 20, which can be any superconductor, while the insulating layer 20 is a suitable electrical insulator such as SiO or PbO
In der Praxis fließt ein Strom / von einer nicht dargestellten Stromquelle durch den Josephson-Kontakt In F i g. 1 tritt der Strom / in die Gegenelektrode 126 ein, durchläuft die Tunnelbarriere 14 und tritt an der Basiselektrode 12a aus. Der Strom kann natürlich auch in der Gegenrichtung fließen.In practice, a current flows from a current source (not shown) through the Josephson junction In FIG. 1 the current / enters the counter electrode 126, passes through the tunnel barrier 14 and enters the Base electrode 12a. The current can of course also flow in the opposite direction.
Wie allgemein bekannt ist, baut ein durch die Steuerleitung 18 fließender Strom Ic ein magnetisches Feld auf, weiches die Ebene der Tunnelbarriere 14 durchdringt Dieses Magnetfeld beeinflußt den Schwellwertstrom des Josephson-Kontakts, der entweder angehoben oder abgesenkt wird. As is well known, a current I c flowing through the control line 18 builds up a magnetic field which penetrates the plane of the tunnel barrier 14. This magnetic field influences the threshold current of the Josephson junction, which is either increased or decreased.
In konventionellen Josephson-Kontakten sind die Elektroden 12a und 126 Supraleiter und die Tunnelbarriere 14 ist im allgemeinen ein Oxid auf der Basiselektrode 12a. Die Tunnelbarriere kann aus vielen Materialien bestehen einschließlich Oxiden, Sulfiden, Ntriden, einem Vakuum usw.In conventional Josephson junctions, electrodes 12a and 126 are superconductors and tunnel barrier 14 is generally an oxide on top of it Base electrode 12a. The tunnel barrier can be made of many materials including oxides, sulfides, Ntriden, a vacuum, etc.
In der Kurve nach F i g. 2 ist die Strom-Spannungs-Kennlinie für einen Josephson-Kontakt, wie er in F i g.! gezeigt ist, aufgezeichnet Der Kontakt kann einen Josephson-Strom bei Null-Obergangsspannung führen, wie es durch den Teil der Kurve mit der Beschriftung A gezeigt ist Der Kontakt 10 liefert diesen Strom, bis der Schwellenwert des Stromes !max durch den Kontakt fließt Zu diesem Zeitpunkt verschwindet der Paar-Tunnel-Effekt, der den Josephson-Strom entstehen läßt, und der Kontakt schaltet schnell auf einen Spannungszustand um, der durch den Teil B der Kurve dargestellt ist Bei der Spannung Vmax schaltet der Kontakt auf einen Einteilchen-Tunnelzustand um. Wenn die Spannung (oder der .strom) dann angehoben wird, hat der Kontakt eine ähnliche Charakteristik wie normale Widerstandselemente.In the curve according to FIG. 2 is the current-voltage characteristic for a Josephson junction as shown in FIG. The contact can conduct a Josephson current at zero transition voltage, as shown by the portion of the curve labeled A. The contact 10 supplies this current until the threshold of current ! max flows through the contact to this At this point, the pair tunneling effect, which gives rise to the Josephson current, disappears, and the contact quickly switches to a voltage state, which is represented by part B of the curve. At the voltage Vmax , the contact switches to a single-particle tunnel state. When the voltage (or current) is then increased, the contact has similar characteristics to normal resistance elements.
Wenn der Strom oder die Spannung gesenkt werden, folgt der Kontakt den Teilen C und D der Kurve zu einem neuen Strom Imin, der größer als 0 aber kleiner als I max ist Der Kontakt hat daher einen Hystereseeffekt Wie bekannt ist, läßt sich dieser Kontakt als bistabiles Element verwenden aufgrund der Nullspannung und eines bestimmten Spannungszustandes.When the current or voltage is decreased, the contact follows parts C and D of the curve to a new current Imin which is greater than 0 but less than I max . The contact therefore has a hysteresis effect Use bistable element due to the zero voltage and a certain stress state.
Die F i g. 3A, 3B und 3C zeigen Schnittansichten des Josephson-Kontaktes 10 entlang der Linie 3-3 der Fig. 1. Jede dieser Ansichten zeigt ein bestimmtes Ausführungsbeispiel des in F i g. 1 gezeigten Josephson-Kontakts.The F i g. 3A, 3B and 3C show sectional views of the Josephson junction 10 taken along line 3-3 of FIG. 1. Each of these views shows a particular embodiment of the FIG. 1 Josephson contact shown.
F i g. 3A zeigt z. B. den Josephson-Kontakt der F ί g. 1 (ohne Steuerleitung 18), in welchem ein Material, welches mit der Basiselektrode 12a eine intermetallische Verbindung bilden kann, zuerst auf einem Substrat 16 niedergeschlagen wird. Dies ist eine 2 bis 20 Gewichtsprozent der Basiselektrode umfassende so dünne Schicht. Danach wird das Material der Basiselektrode niedergeschlagen und eine intermetallische Verbindung an der Grenze zwischen dieser Basiselektrode und dem auf dem Substrat niedergeschlagenen Material gebildet. Da ein eine intermetallische Verbindu.ig eingehendes Material nur eine begrenzte Lösbarkeit in der liasiselekirode aufweist, bleibt etwas von diesem Material als fast reine Schicht 22 übrig, währendF i g. 3A shows e.g. B. the Josephson contact of F ί g. 1 (without control line 18), in which a material which can form an intermetallic compound with the base electrode 12a is first deposited on a substrate 16. This is such a thin layer comprising 2 to 20 percent by weight of the base electrode. Thereafter, the material of the base electrode is deposited and formed an intermetallic compound at the G r Enze between said base electrode and deposited on the substrate material. Since a material entering into an intermetallic compound has only a limited solubility in the liasis electrode, some of this material remains as an almost pure layer 22 while ein anderer Teil dieses Materials die intermetallische Verbindung 24 bildet Der Bereich 26 wird hauptsächlich durch das supraleitende Elektrodenmaterial gebildet, in welches einige Promille einer intermetallischen Verbindung eingestreut sind.another part of this material the intermetallic Forms connection 24 The region 26 is mainly formed by the superconducting electrode material, in which a few parts per thousand of an intermetallic compound are interspersed.
Für Fig.3A wird angenommen, daß Gold als Material für das Bilden der intermetallischen Verbindung mit einer supraleitenden Elektrode benutzt werden soll, die hier aus Blei bestehen solL Zu diesem Zweck wird zuerst eine dünne Goldschicht auf dem Substrat 16 niedergeschlagen, deren Dicke zwischen 2 und 20 Gewichtsprozent der gewünschten Bleielektrodendicke liegt Etwa 5 Gewichtsprozent werden grundsätzlich bevorzugt, d.h, für je 5000 A auf der Goldschicht niedergeschlagenes Blei können 6600 A Gold auf dem Substrat 16 niedergeschlagen werden.For Fig. 3A, it is assumed that gold is used as a material for forming the intermetallic connection with a superconducting electrode which should be made of lead. For this purpose, a thin layer of gold is first applied to the Deposited substrate 16, the thickness of which is between 2 and 20 percent by weight of the desired lead electrode thickness. About 5 percent by weight are generally preferred, i.e. for every 5000 Å on the Gold layer deposited lead, 6600 Å gold can be deposited on the substrate 16.
Die Goldschicht ist nur etwas im Blei löslich und einige Promille dringen in die Bleielektrcde ein. Daher führt der Bereich 26 der Basiselektrode 12a hauptsächlich Blei mit einigen Promis. Gold. Die erste Goidschicht und Bleischicht bilden dk intermetallische Blei-Goldverbindung 24. Da das Gold nur eine begrenzte Löslichkeit für Blei hat bleibt auf dem Substrat eine kleine Schicht 22 von fast reinem Gold zurück.The gold layer is only slightly soluble in the lead and a few parts per thousand penetrate the lead electrode. Therefore the region 26 of the base electrode 12a mainly carries lead with some promises. Gold. The first The gold layer and the lead layer form the intermetallic Lead-gold compound 24. Since the gold has only a limited solubility for lead, it remains on the Substrate back a small layer 22 of almost pure gold.
Nach der Bildung der Basiselektrode 12a wird sie zur Bildung der Tunnelbarriere 14 oxidiert Die Barriere hat eine Dicke von 3 bis 50 A und dient als Potentialsperre für den Elektronenfluß zwischen der Basiselektrode 12a und der Gegenelektrode 126. Nach Bildung der Tunnelbarriere 14 wird die Gegenelektrode 126 darauf niedergeschlagen. In Fig.3A ist die obere Elektrode aus reinem supraleitenden Material, wie z. B. einer Bleischicht von ungefähr 5000 A Dicke. Somit enthält die Struktur der F i g. 3A die supraleitenden Elektroden 12a und 126, die durch eine Tunnelbarriere 14 voneinander getrennt sind und worin die Elektrode 12a eine intermetallische Verbindung enthältAfter the formation of the base electrode 12a, it is oxidized to form the tunnel barrier 14. The barrier has a thickness of 3 to 50 Å and serves as a potential barrier for the flow of electrons between the base electrode 12a and the counter electrode 126. After the tunnel barrier 14 is formed, the counter electrode 126 is placed thereon dejected. In Fig.3A is the top electrode made of pure superconducting material, such as. B. a lead layer of about 5000 Å thick. Thus contains the structure of FIG. 3A shows the superconducting electrodes 12a and 126, which are passed through a tunnel barrier 14 are separated from each other and wherein the electrode 12a contains an intermetallic compound
Die Herstellung der in Fig.3A gezeigten Einheit kann erfolgen, indem eine dünne Schicht des die intermetallische Verbindung bildenden Materials (hierfür wird Gold angenommen, für die superleitenden Elektroden Blei) durch Aufdampfen bei Raumtemperatur oder auch bei höheren Temperaturen zwischen 100 und 125°C auf dem Substrat 16 niedergeschlagen wird. Nach dem Niederschlagen der Goldschicht wird eine 5000 A dicke Bleischicht ungefähr bei Raumtemperatur niedergeschlagen, kann jedoch bei einer Temperatur zwischen 100 und 125° C wie die darunterliegende Goldschicht aufgedampft werden. Wie bereits gesagt, verhalten sich die Dicke der Goldschicht und der Bleischicht so, daß die Goldschicht ungefähr 2 bis 20 Gewichtsprozent der Bleischicht beträgt Wenn zuviel Gold verwendet wird, bildet sich eine zu große intermetallische Verbindung, die in urerwünschten Supraleiteigenschaften für die Basiselektrode resultiert. So kann z. B. die Elektrode eine zu niedrige kritische Obergangstemperatur für den praktischen Gebrauch aufweisen. Die niedrigste kritische Temperatur Ta die man für supraleitende Tunneleinheiten verwenden kann, liegt bei 4,2° K. Nach dem Niederschlag des Bleies auf der Goldschicht wird eine intermetallische Verbindung 24 erzeugt an den Berührungsstellen dieser beiden Materialien. Da Gold und Blei sich nur begrenzt ineinander lösen, bleibt ein Teil des Goldes als fait reine Goldschicht 22 zurück, während auch ein kleiner Promillesatz des Goldes in die übrige Bleischicht 26 diffundiert.The unit shown in FIG. 3A can be produced by applying a thin layer of the material forming the intermetallic compound (gold is assumed for this, lead for the superconducting electrodes) by vapor deposition at room temperature or at higher temperatures between 100 and 125 ° C the substrate 16 is deposited. After the gold layer has been deposited, a 5000 A thick layer of lead is deposited at approximately room temperature, but can be deposited at a temperature between 100 and 125 ° C like the gold layer below. As already mentioned, the thickness of the gold layer and the lead layer are such that the gold layer is approximately 2 to 20 percent by weight of the lead layer. So z. B. the electrode have too low a critical transition temperature for practical use. The lowest critical temperature T a that can be used for superconducting tunnel units is 4.2 ° K. After the lead has deposited on the gold layer, an intermetallic compound 24 is generated at the contact points between these two materials. Since gold and lead only dissolve into one another to a limited extent, part of the gold remains behind as a pure gold layer 22, while a small percentage of the gold also diffuses into the rest of the lead layer 26.
Nach Niederschlag der Basiselektrode 12a wird die Tunnelbarriere 14 erzeugt, und zwar im allgemeinen durch Plasmaoxidation oder thermische Oxidation der Elektrode 12a. Das heißt die Tunnelbarriere kann erzeugt werden durch Einleitung von Sauerstoff in die Vakuumkammer, die zum Aufdampfen der Basiselektrode 12 benutzt wurde. Der Oxidationsschritt erfolgt bei Raumtemperatur bis 400C und bildet ein dichtes kompaktes Oxid von ungefähr 3 bis 50 Λ Dicke.After the base electrode 12a has been deposited, the tunnel barrier 14 is produced, in general by plasma oxidation or thermal oxidation of the electrode 12a. That is to say, the tunnel barrier can be created by introducing oxygen into the vacuum chamber which was used for the vapor deposition of the base electrode 12. The oxidation step takes place at room temperature to 40 ° C. and forms a dense compact oxide approximately 3 to 50 Λ thick.
Danach wird die Gegenelektrode 12b auf der Tunnelbarriere 14 niedergeschlagen. In diesem speziellen Fall wird eine Blei-Gegenelektrode bis zu einer Dicke von etwa 5000 A aufgedampft. Es wird dieselbe Vakuumkammer benutzt, die zur Entfernung des Sauerstoffs entgast wird. Die Bleiquelle wird dann auf eine höhere Temperatur als die zum Niederschlag benutzte erhitzt, während die die Basiselektrode 12a und die Tunnelbarriere 14 umfassende Struktur durch eine Maske geschützt wird. Nach Reinigen der Bleiquelle wird die Bki-Gegenelektrode 12b auf der Tunnelbarriere 14 niedergeschlagen.Thereafter, the counter electrode 12b is deposited on the tunnel barrier 14. In this particular one In this case, a lead counter electrode is vapor-deposited to a thickness of about 5000 Å. It will be the same Vacuum chamber used, which is degassed to remove the oxygen. The lead source is then on heated to a higher temperature than that used for deposition, while the base electrode 12a and the structure comprising the tunnel barrier 14 is protected by a mask. After cleaning the Lead source is the Bki counter electrode 12b on the Tunnel barrier 14 knocked down.
Bei Bedarf kann die Isolierschicht 20 ausgebildet oder auf der Tunneleinheit aufgedampft und dann die Steuerleitung 18 aufgedampft werden.If necessary, the insulating layer 20 can be formed or vapor-deposited on the tunnel unit and then the Control line 18 are vapor-deposited.
Fig. 3B zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, in welchem die intermetallische Verbindung in der Basiselektrode 12a und der Gegenelektrode 12b ausgebildet wird. In den vorhergehenden Figuren und den folgenden werden soweit wie möglich dieselben Bezugszahlen benutzt.Fig. 3B shows another embodiment in which the intermetallic compound in the Base electrode 12a and the counter electrode 12b is formed. In the previous figures and The same reference numerals are used as far as possible in the following.
Die Basiselektrode 12a ist in Fig. 3B dieselbe wie in Fig. 3A, d.h. sie umfaßt einen Bereich 22 aus reinem Material, welches eine intermetallische Verbindung mit dem für die Basiselektrode verwendeten supraleitenden Material bildet. Der Bereich 26 besteht hauptsächlich aus der supraleitenden Elektrode mit einigen Promille des Materials, welches mit dem Material der supraleitenden Elektrode die intermetallische Verbindung bildet.The base electrode 12a in FIG. 3B is the same as in FIG Fig. 3A, i.e. it comprises an area 22 of pure Material that has an intermetallic compound with the superconducting used for the base electrode Material forms. The area 26 consists mainly of the superconducting electrode with a few parts per thousand of the material which forms the intermetallic compound with the material of the superconducting electrode forms.
Fig. 3B ist ein symmetrischer Kontakt, in dem die Gegenelektrode 12b ein Spiegelbild der Basiselektrode 12a ist. Die Gegenelektrode 126 i<t auf der Tunnelbarriere 14 ausgebildet und umfaßt ei.ien Bereich 22', der aus einer dünnen Schicht des Materials besteht, welches für eine intermetallische Verbindung mit der supraleitenden Gegenelektrode 126 verwendet wird. Der Bereich 24' ist die in der Gegenelektrode 12b ausgebildete intermetallische Verbindung, während der Bereich 26' hauptsächlich aus dem supraleitenden Material der Gegenelektrode \2b mit einigen Promille des die Schicht 22' umfassenden Materials besteht. Grundsätzlich ist tür Basiselektrode 12a und Gegenelektrode 126 das die reinen Materialschichten 22 und 22" bildende Material dasselbe, muß aber nicht gleich sein. Außerdem kann für die Basiselektrode 12a ein anderes supraleitendes Material verwendet werden als für die Gegenelektrode 12b, dieses muß jedoch nicht der Fall sein.Figure 3B is a symmetrical contact in which the counter electrode 12b is a mirror image of the base electrode 12a. The counter electrode 126 is formed on the tunnel barrier 14 and comprises a region 22 ′ which consists of a thin layer of the material which is used for an intermetallic connection with the superconducting counter electrode 126. The region 24 'is the intermetallic compound formed in the counter electrode 12b, while the region 26' consists mainly of the superconducting material of the counter electrode 2b with a few per thousand of the material comprising the layer 22 '. Basically, for the base electrode 12a and counter electrode 126, the material forming the pure material layers 22 and 22 ″ is the same, but does not have to be the same. In addition, a different superconducting material can be used for the base electrode 12a than for the counter electrode 12b, but this need not be the case be.
Der in Fig.3B gezeigte Kontakt ist insofern symmetrisch, als sich an der Basis- und an der Gegenelektrode Bereiche mit einer intermetallischen Verbindung befinden. Diese Einheit hat gegenüber der in Fig.3A gezeigten Einheit den Vorteil, daß die Ausbildung von Hillock-Bereichen reduziert wird. Die intermetallische Schicht 24' kann z. B. die Entspannung durch Defektelektronenwanderungen in den Elektroden so klein wie möglich halten. Symmetrische Konfigurationen erzeugen wahrscheinlich thermodynamisch stabilere Strukturen als asymmetrische Konfigurationen. The contact shown in Fig.3B is insofar symmetrical, as there are areas with an intermetallic on the base and on the counter electrode Connection. This unit has the advantage over the unit shown in Fig.3A that the Training of hillock areas is reduced. The intermetallic layer 24 'can e.g. B. the relaxation keep them as small as possible by migrating holes in the electrodes. Symmetrical Configurations are likely to produce more thermodynamically stable structures than asymmetric configurations.
Der Kontakt der Fig.3B wird ähnlich erzeugt wie der in Fig. 3A. Das heißt, das zur Bildung einer intermetallischen Verbindung benutzte reine Material wird als dünne Schicht auf dem Substrat und anschließend das supraleitende Elektrodenmaterial darauf niedergeschlagen. Die Proportionen dieser aufgedampften Schichten sind dieselben, wie sie für die F i g. 3A beschrieben wurden. Auch die Basiselektrode 12a und die Tunnelbarriere 14 werden genauso erzeugt wie bei der Konfiguration der F i g. 3A. Die Gegenelektrode 12b ist das Gegenstück für die Basiselektrode 12a, d. h., zuerst wird das die Gegenelektrode bildende supraleitende Material bis zu einer gewünschten Dicke auf der Tunnelbarriere 14 aufgedampft und danach eine dünne Schicht eines die intermetallische Verbindung formenden Materials auf diesem supraleitenden Material bis zu derselben Dicke wie an der Basiselektrode 12a niedergeschlagen. Da die Löslichkeit des die Schicht 22' umfassenden Materials begrenzt ist, wird eine intermetallische Verbindung 24' gebildet und das supraleitende Material im Bereich 26' hat nur sehr kleine Steile des die Schicht 22' bildenden Materials.The contact of Fig.3B is generated similarly to that in Fig. 3A. That is, the pure material used to form an intermetallic compound is a thin layer on the substrate and then the superconducting electrode material down on it. The proportions of these evaporated layers are the same as they are for the F i g. 3A. The base electrode 12a and the tunnel barrier 14 are also produced in the same way as in the configuration of FIG. 3A. The counter electrode 12b is the counterpart for the base electrode 12a, d. that is, first, the superconducting material forming the counter electrode is made into a desired thickness evaporated on the tunnel barrier 14 and then a thin layer of the intermetallic compound forming material on this superconducting material to the same thickness as on the base electrode 12a dejected. Since the solubility of the material comprising the layer 22 'is limited, a intermetallic compound 24 'formed and the superconducting material in the area 26' has only very small portions of the material forming layer 22 '.
In 1 ig. 3C ist eine Schnittansicht eines Josephson-Kontaktes 10 entlang der Linie 3-3 in Fig. 1 gezeigt. In dieser Struktur wird die intermetallische Verbindung gebildef durch den Niederschlag einer dünnen Schicht des die intermetallische Verbindung bildenden Materials mitten in der Basis- und in der Gegenelektrode. Dazu wird ein Tei! der Elektroden und dann eine dünne Schicht des die intermetallische Verbindung bildenden Materials niedergeschlagen, wonach die Elektrode vervollständigt wird durch weiteren Niederschlag des zu verwendenden Supraleitermaterials.In 1 ig. 3C is a sectional view of a Josephson junction 10 along line 3-3 in FIG. 1. In In this structure the intermetallic compound is formed by the deposition of a thin layer of the material forming the intermetallic compound in the middle of the base and counter electrode. In addition, a part! of the electrodes and then a thin layer of the one forming the intermetallic compound Material is deposited, after which the electrode is completed by further deposition of the to be used superconductor material.
Genauer gesagt, wird der Josephson-Kontakt 10 (ohne Steuerleitung 18 und Isolation 20) auf dem Substrat 16 niedergeschlagen, indem zuerst ein Teil 30 des Elektroden-Supraleiters auf dem Substrat 16, dann eine dünne Schicht 32 des zur Bildung einer intermetallischen Verbindung mit der Supraleiterschicht 30 verwendeten Materials niedergeschlagen wird. Danach wird der restliche Teil 34 der Basiselektrode niedergeschlagen. Der Bereich 34 besteht aus demselben Supraleitermaterial wie der Bereich 30. Daher umfaßt die Basiselektrode 12a zwei Schichten eines fast reinen Supraleitermaterials, die durch eine dünne Materialschicht getrennt sind, welche eine intermetallische Verbindung mit dem Supraleiter bilden. Die Bereiche 30 und 34 können natürlich einen kleinen Teil dps die intermetallische Verbindung bildenden Materials enthalten, obwohl dieses Material eine sehr geringe Löslichkeit im Supraleitermaterial aufweist Die intermetallische Verbindung und das die fast reine Verbindung bildende Material 32 werden zwischen den Schichten 30 und 34 niedergeschlagen.More specifically, the Josephson junction becomes 10 (without control line 18 and insulation 20) deposited on the substrate 16 by first placing a part 30 of the electrode superconductor on the substrate 16, then a thin layer 32 of the to form an intermetallic Compound with the superconductor layer 30 material used is deposited. Thereafter the remaining portion 34 of the base electrode is deposited. The area 34 consists of the same Superconductor material such as region 30. Therefore, the base electrode 12a comprises two layers of an almost pure one Superconductor material that are separated by a thin layer of material, which is an intermetallic Form connection with the superconductor. The areas 30 and 34 can of course be a small part of the dps contain intermetallic compound-forming material, although this material is a very small one Solubility in the superconductor material exhibits the intermetallic compound and that which is almost pure Compound forming material 32 is deposited between layers 30 and 34.
Die relative Dicke der Schichten 30, 32 und 34 ist dieselbe, die für die Konfigurationen der F i g. 3A und 3B angegeben wurde, d. h„ die Schicht 32 ist so dick, daß zwischen 2 und 20% des Materials in der ganzen Supraleiterelektrode 12a vorhanden sind. Die Schicht 32 ist etwa 200 A dick, während die Schichten 30 und 34 zusammen ungefähr 5000 A dick sind. Das Kriterium besteht wieder darin, daß das die intermetallische Verbindung bildende Material weniger sein sollte als das Material, welches die Supraleiteigenschaften der Basiselektrode wesentlich verändert und sie dadurch als Josephson-Kontakt praktisch unbrauchbar machtThe relative thickness of layers 30, 32, and 34 is the same as that used for the configurations of FIGS. 3A and 3B, i.e. h "the layer 32 is so thick that between 2 and 20% of the material is present in the whole of the superconductor electrode 12a. Layer 32 is about 200 Å thick while layers 30 and 34 combined are about 5000 Å thick. The criterion again is that the material forming the intermetallic compound should be less than that Material that has the superconducting properties of the base electrode changed significantly and thus made it practically unusable as a Josephson contact
Nach Bildung der Basiselektrode 12a wird die Tunnelbarriere 14 ausgebildet. Diese Barriere hat eine Dicke von 3 bis 50 A und wird normalerweise auf bekannte Art durch thermische oder Plasmaoxidation ausgebildet.After the base electrode 12a is formed, the tunnel barrier 14 is formed. This barrier has a Thickness from 3 to 50 A and is usually made in a known manner by thermal or plasma oxidation educated.
Nach Bildung der Tunnelbarriere 14 wird die Gegenelektrode 12i> genauso ausgebildet wie die Basiseifktrode 12a. Ein erster Teil 30' aus supraleitendem Material wird auf der Tunnelbarriere 14 durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung niedergeschlagen. Danach wird eine dünne Materialschicht .32' niedergeschlagen, die eine intermetallische Verbindung mit dem für die Gegenelektrode verwendeten supraleitenden Material eingeht. Schließlich wird noch die Schicht 34' aus dem für die Gegenelektrode 126 verwendeten supraleitenden Material auf der Schicht 32' niedergeschlagen. Die relative Dicke der Schichten 30', 32' und 34' ist dieselbe wie für die Basiselektrode 12a, d.h. die Schicht 32' umfaßt etwa 2 bis 20 Gewichtsprozent der gesamten Elektrode 126, ist typischerweise 200 A dick, während die Schichten 30' und 34' zusammen etwa 5000 Ä dick sind.After the tunnel barrier 14 has been formed, the counter electrode 12i is formed in the same way as the base electrode 12a. A first part 30 'made of superconducting material is deposited on the tunnel barrier 14 by vapor deposition or cathode sputtering. Then a thin layer of material .32 'is deposited, which forms an intermetallic bond with the superconducting material used for the counter electrode. Finally, the layer 34 'made of the superconducting material used for the counter electrode 126 is deposited on the layer 32'. The relative thickness of layers 30 ', 32' and 34 'is the same as for base electrode 12a, ie layer 32' comprises about 2 to 20 percent by weight of total electrode 126, is typically 200 Å thick, while layers 30 'and 34 'together are around 5000 Å thick.
Als Alternative zu der in Fig. 3C gezeigten Struktur kann auch die Schicht 14' weggelassen werden. In diesem Fall kann die Schicht 30' aus supraleitendem Material ungefähr 5000 Ä und die Schicht 32' etwa 200 Ä dick sein. Die dann gebildete Elektrode ist dieselbe wie die Elektrode 126der F i g. 3B.As an alternative to the structure shown in Figure 3C the layer 14 'can also be omitted. In this case, the layer 30 'of superconducting Material about 5000 Å and layer 32 'about 200 Å thick. The electrode then formed is the same as electrode 126 of FIG. 3B.
Die in Fig. 3C gezeigte Struktur wird genauso ausgebildet wie die in den Fig.3A und 3B gezeigten, nämlich durch Aufdampfen der supraleitenden Elektrodenmaterialien sowie der dünnen Schichten des die intermetallische Verbindung bildenden Materials.The structure shown in Fig. 3C becomes the same formed like those shown in FIGS. 3A and 3B, namely by vapor deposition of the superconducting electrode materials as well as the thin layers of the material forming the intermetallic compound.
Fig.3D zeigt einen Josephson-Kontakt. dessen Basiselektrode 12a mehr als eine Schicht des die intermetallische Verbindung eingehenden Materials enthält. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Supraleiter als Blei dargestellt (Pb), während das die intermetallische Verbindung bildende Material Gold ist. Eine erste Goldschicht wird auf dem Substrat 16 niedergeschlagen und anschließend das Blei. Dann wird eine weitere dünne Goldschicht niedergeschlagen und darauf eine zweite Bleischicht. Dadurch wird die Basiselektrode 12a gebildet, die dann oxidiert wird zur Ausbildung der Tunnelbarriere 14 und hinterher der Gegenelektrode YIb. Die Elektrode Mb kann eine der vorher beschriebenen Gegenelektroden sein, wobei in F ι g. 3D dieselbe Gegenelektrode gezeigt ist wie in F i g. 3C Wie vorher werden dieselben EigenschaftenFig. 3D shows a Josephson junction. the base electrode 12a of which contains more than one layer of the material forming the intermetallic compound. In this embodiment, the superconductor is shown as lead (Pb), while the material forming the intermetallic compound is gold. A first layer of gold is deposited on substrate 16 and then the lead. Then another thin layer of gold is deposited and a second layer of lead on top. As a result, the base electrode 12a is formed, which is then oxidized to form the tunnel barrier 14 and then the counter electrode YIb. The electrode Mb can be one of the previously described counter-electrodes, with FIG. 3D the same counter electrode is shown as in FIG. 3C As before will be the same properties
für die die intermetallische Verbindung und die Supraleiter bildenden Schichten benutzt, d.h. 2 bis 20 Gewichtsprozent des die intermetallische Verbindung bildenden Materials in jeder Elektrode.used for the layers forming the intermetallic compound and the superconductors, i.e. 2 to 20 percent by weight of the intermetallic compound forming material in each electrode.
Die Fig. 3A bis 3D zeigen verschiedene Josephsonkontakte mit intermetallischen VerLi.iuungeri /x.x Reduzierung des Spannungsausgleichs durch Hiilock-Ausbildungen. Diese Kontakte sind in wiederholten Temperaturzyklen sehr stabil und haben eine gute Tunnelbarriere-Oxidationscharakteristik Außerdem liefern sie einen hohen losephson-Strom und haben einen niedrigen Tunnelwiderstand.3A to 3D show various Josephson junctions with intermetallic VerLi.iuungeri / xx reduction of the voltage equalization through Hiilock designs. These contacts are very stable in repeated temperature cycles and have good tunnel barrier oxidation characteristics. In addition, they deliver a high losephson current and have a low tunnel resistance.
F.s scheint, dall das die intermetallische Verbindung bildende Material die Korngrenzen des supraleitenden Materials festigt, welches als Elektrodenmaterial verwendet wird. Auch erhöhen die intermetallischen Verbindungen die Haftung des Basiselektroden-Supraleiters, da ein Supraleiter an seinen intermetallischen Verbindungen besser haftet als an einem Substrat. Das supraleitende Elektrodenmaterial wird durch die Verwendung der intermetallischen Verbindungen stabilisiert. It seems that this is the intermetallic compound forming material strengthens the grain boundaries of the superconducting material used as an electrode material will. The intermetallic compounds also increase the adhesion of the base electrode superconductor, because a superconductor adheres better to its intermetallic compounds than to a substrate. That superconducting electrode material is stabilized by the use of the intermetallic compounds.
Die Wanderung von Defektstellen (Dislokationen) kann auch zu einer Entspannung und damit zur Ausbildung von Hillock-Bereichen führen und wird durch die intermetallischen Verbindungsschichten verhindert. Die auf diese Weise gebildeten Elektroden haben gute Lagereigenschaften bei Raumtemperatur. Chemische, physikalische und atomare Bewegungen, die Änderungen bzw. Transformationen in diesen Elektroden hervorrufen können, werden durch die intermetallischen Verbindungen auf ein Minimum reduziert. Da diese, die intermetallischen Verbindungen bildenden. Materialien sich nicht leicht im supraleitenden Elektrodcnmaterial lösen, bleiben die Supraleiteigenschaften der Elektroden so gut, daß praktisch brauchbare Josephson-Kontakte hergestellt werden können.The migration of defects (dislocations) can also lead to relaxation and thus to Lead formation of hillock areas and is prevented by the intermetallic connecting layers. The electrodes formed in this way have good storage properties at room temperature. Chemical, physical and atomic movements, the changes or transformations in these electrodes can cause are reduced to a minimum by the intermetallic compounds. There those that form the intermetallic compounds. Materials do not move easily in the superconducting electrode material solve, the superconducting properties of the electrodes remain so good that they are practically useful Josephson contacts can be made.
Für die Elektroden können viele supraleitende Materialien benutzt werden und ebenso gibt es zahlreiche Materialien, die mit diesen Elektroden intermetallische Verbindungen eingehen. Blei ist z. B. ein sehr geeignetes Material für supraleitende Elektroden. Geeignete Elemente, die mit Blei eine intermetallische Verbindung eingehen, sind unter anderem Gold, Palladium, Platin, Magnesium, Tellur und Thallium. Ein weiterer geeigneter Supraleiter ist Indium. Eine intermetallische Verbindung mit Indium gehen die folgenden Materialien ein Cu, Ag, Au, Sn, Mg, Mn, Ni, Bi.Many superconducting materials can and are used for the electrodes numerous materials that form intermetallic compounds with these electrodes. Lead is z. B. a very suitable material for superconducting electrodes. Suitable elements that lead to an intermetallic Compound include gold, palladium, platinum, magnesium, tellurium and thallium. A Another suitable superconductor is indium. They make an intermetallic compound with indium following materials a Cu, Ag, Au, Sn, Mg, Mn, Ni, Bi.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |