DE102012006825B4

DE102012006825B4 - Reproduzierbarerer Stufen-Josephson-Kontakt für ein Bauelementder supraleitenden Elektronik und Herstellverfahren dafür

Info

Publication number: DE102012006825B4
Application number: DE102012006825.5A
Authority: DE
Inventors: Mikhail Faley
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2032-04-05
Also published as: DE102012006825A1

Abstract

Bauelement mit einem Josephson-Kontakt, umfassend ein Substrat mit mindestens einer Stufenkante in seiner Oberfläche und eine darauf angeordnete Schicht aus einem hochtemperatursupraleitenden Material, wobei diese Schicht an der Stufenkante eine Korngrenze aufweist, die das Weak-Link des Josephson-Kontakts bildet, und wobei die hochtemperatursupraleitende Schicht graphoepitaktisch auf ein texturiertes Substrat und/oder auf mindestens eine zwischen dem Substrat und der hochtemperatursupraleitenden Schicht angeordnete texturierte Pufferschicht aufgewachsen ist, wobei durch die Texturierung auf beiden Seiten der Stufenkante die a- und/oder die b-Kristallachse in der Ebene der hochtemperatursupraleitenden Schicht bis auf eine Abweichung von höchstens 10° senkrecht auf die Korngrenze ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement mit einem Josephson-Kontakt sowie ein Verfahren zur Herstellung.
Stand der Technik
Josephson-Kontakte zwischen hochtemperatursupraleitenden (High-T_c, HTSL) Elektroden sind ein Grundbaustein der supraleitenden Elektronik. Sie werden unter anderem für supraleitende Quanteninterferometer (SQUIDs) zur hochempfindlichen Magnetfeldmessung und in Detektoren für THz-Strahlung eingesetzt.
Aus der US 7 741 634 B2 ist ein Schichtstapel aus zwei Supraleitern mit dazwischen angeordneter Tunnelbarriere bekannt, wobei diese Tunnelbarriere ein großflächiges, nicht lokalisiertes Weak-Link bildet. Die Herstellung dieser Tunnelbarriere ist sehr kompliziert und kritisch, weil sie eine Schichtdicke von etwa 1 nm haben muss. Dementsprechend müssen die verwendeten Supraleiter auch eine sehr flache Topographie aufweisen, wie etwa MgB₂. Zwischen zwei Hochtemperatursupraleitern, beispielsweise YBCO, deren Topographie Stufenhöhen im Bereich 1 nm aufweist, lasst sich eine solche dünne Tunnelbarriere nicht reproduzierbar einbringen.
Aus der US 5 721 196 A ist ein Josephson-Kontakt bekannt, der durch Aufwachsen einer supraleitenden Schicht über eine zuvor auf einem Substrat aufgewachsene Stufenkante entsteht. Am Übergang über die Stufenkante entsteht eine starke Verengung, die das Weak-Link bildet. Nachteilig ist ein solcher Kontakt nicht langzeitstabil, da bereits eine kleine Degradation des Supraleiters im Bereich der Verengung dazu führt, dass der Kontakt komplett ausfallt. Zudem streuen die supraleitenden Eigenschaften der auf diese Weise hergestellten Kontakte stark.
Die wesentlichen Kenngrößen eines Josephson-Kontakts sind die kritische Stromdichte J_c des supraleitenden Zustandes und der Widerstand R_n im normalleitenden Zustand. Diese Größen und insbesondere ihr Produkt J_c·R_n (bzw. I_c·R_n mit dem kritischen Strom I_c) sind als Gütemaß für die Anwendbarkeit von Josephson-Kontakten zu den genannten Zwecken aus (E. Mitchell, C. P. Foley, „YBCO step-edge junctions with high IcRn”, Superconductor Science and Technology 23, 065007 (2010), doi:10.1088/0953-2048/23/6/065007) bekannt. Diese Schrift offenbart, dass sowohl J_c als auch R_c an der Korngrenze einer YBCO-HTSL-Schicht stark vom Winkel θ zwischen den Kristallorientierungen der beiden Körner im YBa₂Cu₃O_7-x (YBCO) abhängen. Daher wird vorgeschlagen, die Schicht auf einem Substrat aufzuwachsen, dessen Oberfläche eine Stufenkante enthält. Der Josephson-Kontakt entsteht an der oberen Kante einer rutschbahnförmigen Stufe der Substratsoberfläche, indem an der Kante in die Kristallstruktur von YBCO ein scharfer Knick mit einem Winkel von θ Grad eingebracht wird. Dabei bildet sich im YBCO an der Stufenkante eine Korngrenze, wobei der Winkel θ durch den Knickwinkel der Stufenkante vorgegeben ist. Der Knick bewirkt eine lokale Verspannung und damit ein lokales Sauerstoffdefizit im YBCO an der Korngrenze. Dadurch wirkt der Bereich des Knicks wie eine Tunnel-Kontakt-Barriere zwischen zwei unterschiedlich orientierten D-Wellen-Supraleitern und bildet somit das Weak-Link des Josephson-Kontakts.
Einige der auf diese Weise hergestellten Josephson-Kontakte weisen das erhoffte hohe Produkt I_c·R_n tatsächlich auf. Nachteilig genügt die Reproduzierbarkeit bislang nur für den Nachweis der prinzipiellen Machbarkeit (proof-of-concept), nicht jedoch für die großtechnische Fertigung, da sehr viel Ausschuss entsteht.
Aufgabe und Lösung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, Josephson-Kontakte aus Hochtemperatursupraleitern zur Verfügung zu stellen, die ein hohes Produkt I_c·R_n aufweisen und sich zugleich reproduzierbarer herstellen lassen als nach dem bisherigen Stand der Technik.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bauelement mit einem Josephson-Kontakt gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Herstellungsverfahren gemäß Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen. Gegenstand der Erfindung sind weiterhin ein Detektor für THz-Strahlung und ein SQUID, bei denen das erfindungsgemäße Bauelement Verwendung findet.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Bauelement mit einem Josephson-Kontakt entwickelt. Dieses Bauelement umfasst ein Substrat mit mindestens einer Stufenkante in seiner Oberfläche und eine darauf angeordnete Schicht aus einem hochtemperatursupraleitenden Material, wobei diese Schicht an der Stufenkante eine Korngrenze aufweist, die das Weak-Link des Josephson-Kontakts bildet.
Unter der Stufenkante wird nicht die Außenkante des Substrats verstanden, an der das Substrat und damit auch die darauf befindliche HTSL-Schicht endet. Eine Stufenkante im Sinne dieser Erfindung ist vielmehr eine Kante, die sich innerhalb des Oberflächenbereichs des Substrats befindet, so dass die auf dem Substrat befindliche HTSL-Schicht sich zu beiden Seiten dieser Stufenkante erstreckt.
Erfindungsgemäß ist die hochtemperatursupraleitende Schicht graphoepitaktisch auf ein texturiertes Substrat und/oder auf mindestens eine zwischen dem Substrat und der hochtemperatursupraleitenden Schicht angeordnete texturierte Pufferschicht aufgewachsen, wobei durch die Texturierung auf beiden Seiten der Stufenkante die a- und/oder die b-Kristallachse in der Ebene der hochtemperatursupraleitenden Schicht bis auf eine Abweichung von höchstens 10° senkrecht auf die Korngrenze ausgerichtet ist.
Unter der Ausrichtung der a- bzw. b-Achse der HTSL-Schicht wird verstanden, dass die Achsen von über 90% der Körner, aus denen die HTSL-Schicht zusammengesetzt ist, ausgerichtet sind. Es gibt in der Regel immer einzelne Körner mit falscher Ausrichtung, aber die spielen dann keine große Rolle mehr für den Stromtransport.
Unter der Ausrichtung sowohl der a- als auch der b-Achse wird verstanden, dass ein Teil der Körner mit ihrer a-Achse und ein Teil der Körner mit ihrer b-Achse senkrecht zur Stufenkante ausgerichtet ist.
Es wurde erkannt, dass die supraleitenden Eigenschaften von HTSL-Schichten in der Schichtebene sehr anisotrop sind. Die Wellenfunktion der Cooper-Paare, die den Suprastrom tragen, hat entlang der Kristallachsen a und b in der Schichtebene eine große Amplitude, wobei sie entlang der Kristallachse b eine gegenüber der Kristallachse a um 180° versetzte Phase hat. In der Richtung unter 45° zu den beiden Kristallachsen a und b der HTSL-Schicht ist die Amplitude der Wellenfunktion der Cooper-Paare gleich Null. Ein hoher Suprastrom kann also im Wesentlichen nur entlang der Kristallachsen a und b transportiert werden. Damit der Suprastrom auch über die Stufenkante hinweg transportiert werden kann, ist es notwendig, dass zu beiden Seiten der Stufenkante die Kristallachse a oder b der HTSL-Schicht zur Stufenkante hin ausgerichtet ist. Ist dagegen auf wenigstens einer Seite der Stufenkante die Kristallstruktur im Winkel von 45° zur a- und b-Achse ausgerichtet, fließt kein Suprastrom (I_c = 0) über den Josephson-Kontakt. Außerdem entstehen in diesem Fall die Null-Energie-Zustände, welche den normalleitenden Widerstand R_n (und damit auch der Produkt I_c·R_n) des Josephson-Kontakts drastisch senken.
Indem somit zu beiden Seiten der Stufenkante die a- und/oder b- Kristallachse jeweils senkrecht auf die Stufenkante ausgerichtet ist, kann ein maximaler Suprastrom über die durch die Stufenkante induzierte Korngrenze und damit über den Josephson-Kontakt fließen. Nach dem bisherigen Stand der Technik wurde die In-Plane-Ausrichtung der a- und b-Achse in der Schichtebene nicht kontrolliert, sondern bildete sich zufällig aus. Die hergestellten Schichten enthielten daher auch viele Körner, bei denen die a- und/oder b-Achse einen Winkel von 45° mit der Stufenkante bildete; somit war der Stromtransport durch diese Körner gerade in der interessierenden Richtung minimal.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der hochtemperatursupraleitenden Schicht und dem Substrat eine antiepitaktische Pufferschicht angeordnet, wobei diese antiepitaktische Pufferschicht entweder amorph ist oder eine nicht zum Substrat und/oder zur hochtemperatursupraleitenden Schicht epitaxiekompatible Kristallstruktur aufweist, so dass die c-Achse der hochtemperatursupraleitenden Schicht sich nach der energetisch günstigsten eigenen Wachstumsrichtung orientiert und damit bis auf eine Abweichung von höchstens 10° senkrecht zu der Schichtebene steht. Dabei folgt die Schichtebene dem Knick in der Substratoberfläche. Für die Antiepitaxie es ist wichtig, dass die Ausrichtung der Schicht nach ihrem eigenen Phasendiagramm, etwa auf Grund des geschichteten Aufbaus von YBCO-Schichten, gegenüber der Ausrichtung entsprechend der Kopplung zum Substrat energetisch bevorzugt ist. Das kann man erreichen mit einer dünnen amorphen Schicht oder mit einer so stark epitaktisch inkompatiblen Schicht, dass auf dem Interface zur HTSL-Schicht sehr viele Verspannungen gebildet sind. Eine dritte Möglichkeit ist eine sehr dünne (etwa 1 nm) antiepitaktische Schicht aus einem Material mit Kristallstruktur-Parametern, die sich stark von den Kristallstruktur-Parametern des Substrats unterscheiden. In diesen Fall wirken beide Kristallstrukturen auf die Ausrichtung der HTSL-Schicht und schwachen dabei ihre Auswirkung auf die HTSL-Schicht gegenseitig ab.
Beispielsweise kann auf einem MgO-Substrat eine erste epitaktische Schicht aus Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) angeordnet sein, die als Vermittler für die eigentliche antiepitaktische Schicht aus CeO₂ dient. Hierauf kann die supraleitende YBCO-Schicht angeordnet sein.
Eine antiepitaktische Pufferschicht gemäß der Erfindung bewirkt, dass sich die c-Achse der HTSL-Schicht auch dann senkrecht zur Schichtebene orientiert, wenn das Substrat eine zur HTSL-Schicht kompatible Kristallstruktur und Gitterkonstante aufweist. Dadurch ist gewährleistet, dass sich an der Stufenkante grundsätzlich eine Korngrenze in der HTSL-Schicht ausbildet. An der Kante der rutschbahnförmigen Stufe bewirkt der Knick in der Substratoberfläche einen scharfen Knick in der Kristallstruktur der HTSL-Schicht, so dass ein Josephsohn-Kontakt entsteht. Bei epitaktischem, am Substrat orientiertem Wachstum dagegen entsteht bei Stufen-Winkeln θ < 45° keine Korngrenze an der Stufenkante, so dass dort kein Josephson-Kontakt gebildet wird. Mit einer antiepiktaktischen Zwischenschicht ist außerdem sichergestellt, dass sowohl die a- als auch die b-Achse in der Schichtebene liegen und ein Stromtransport durch die Schicht in zwei Dimensionen erleichtert ist. Die Kontrolle über die a- und b-Achse ist mit einer In-Plane-Texturierung möglich.
Vorteilhaft weist die antiepitaktische Pufferschicht eine Dicke von 10 nm oder weniger, bevorzugt von 1 nm oder weniger und ganz besonders bevorzugt von 0,5 nm oder weniger auf. Sofern sich die Texturierung im Substrat oder in einer weiteren Schicht zwischen der antiepitaktischen Pufferschicht und dem Substrat befindet, ist durch diese geringe Schichtdicke gewährleistet, dass die Texturierung noch einen maßgeblichen Einfluss auf die Kristallorientierung der HTSL-Schicht in der Schichtebene haben kann.
Vorteilhaft liegt jede Gitterkonstante der antiepitaktischen Pufferschicht in der Schichtebene näher an den Gitterkonstanten a und b in der Ebene der hochtemperatursupraleitenden Schicht als an jedem ganzzahligen Vielfachen oder Teiler der Gitterkonstante c dieser Schicht. Dadurch wird vermieden, dass sich die c-Achse der HTSL-Schicht in die Ebene der antiepitaktischen Pufferschicht orientiert.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die antiepitaktische Pufferschicht texturiert. Dann steht diese Texturierung in unmittelbarem Kontakt mit der HTSL-Schicht und wirkt maximal auf deren Kristallausrichtung in der Ebene.
Alternativ oder auch in Kombination hierzu ist in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zwischen dem Substrat und der antiepitaktischen Pufferschicht oder zwischen der antiepitaktischen Pufferschicht und der hochtemperatursupraleitenden Schicht eine weitere texturierte Pufferschicht angeordnet. Dann sind die Funktionen der beiden Pufferschichten voneinander getrennt und können unabhängig voneinander optimiert werden. Damit der Einfluss der texturierten Pufferschicht auf die Kristallorientierung der HTSL-Schicht in der Schichtebene gegenüber dem Einfluss der antiepitaktischen Pufferschicht überwiegt, ist die texturierte Pufferschicht vorteilhaft um mindestens 20%, bevorzugt um mindestens 50% und ganz besonders bevorzugt um mindestens 100% dicker ist als die antiepitaktische Pufferschicht. Vorteilhaft weist sie jedoch gleichzeitig eine Dicke von 10 nm oder weniger, bevorzugt von 1 nm oder weniger und ganz besonders bevorzugt von 0,5 nm oder weniger auf, um den Einfluss der antiepitaktischen Pufferschicht auf die Orientierung der c-Achse nicht völlig in den Hintergrund zu drängen.
Die texturierte Pufferschicht kann auch als alleinige Pufferschicht unmittelbar zwischen dem Substrat und der HTSL-Schicht angeordnet sein, insbesondere dann, wenn die c-Achse der HTSL-Schicht sich auch ohne antiepitaktische Pufferschicht senkrecht zur Schichtebene ausrichtet. Auch in diesem Fall ist sie jedoch vorteilhaft nicht dicker als 10 nm. Bei größeren Dicken wird die scharfe Stufenkante abgerundet, so dass die Tunnelbarriere in der HTSL-Schicht niedriger und dafür breiter wird. Dadurch wirkt sie nicht mehr als Weak-Link eines Josephson-Kontakts.
Bereits die normale Kristallstruktur der Pufferschicht kann als Texturierung ausreichen. Hierfür weist die Pufferschicht in ihrer Ebene vorteilhaft eine Gitterkonstante auf, die zwischen 90% und 100% der Gitterkonstante der HTSL-Schicht entlang der auszurichtenden Achse (a und/oder b) beträgt. Ein Beispiel für eine Pufferschicht, die dieses leistet, ist CeO₂. Es wächst epitaktisch auf Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid YSZ, das wiederum epitaktisch auf MgO wachst. Dadurch richtet sich seine Kristallorientierung in der Schichtebene senkrecht auf die Stufenkante hin aus, und es überträgt diese Orientierung auf die a-Achse von YBCO. Damit die Pufferschicht in dieser Weise ohne zusätzliche Texturierung wirken kann, darf die Gitterkonstante c der HTSL-Schicht kein ganzzahliges Vielfaches der Gitterkonstanten entlang der auszurichtenden Achse (a und/oder b) sein. Ansonsten kann sich statt der a- und/oder b-Achse die c-Achse entlang der Pufferschicht ausrichten.
Vorteilhaft umfasst die Texturierung Erhebungen und/oder Vertiefungen mit einer mittleren Höhe bzw. Tiefe zwischen 1 nm und 5 nm. Zu kleine Features der Texturierung wirken nicht mehr reproduzierbar auf die Ausrichtung der HTSL-Schicht in der Ebene. Bei zu großen Features können die a-Achse-orientierten Körner der HTSL-Schicht wachsen.
Vorteilhaft beträgt der Krümmungsradius des Substrats an der Stufenkante 5 nm oder weniger, bevorzugt 1 nm oder weniger. Dann ist der Knick in der Substratoberfläche an dieser Stelle auch dann noch ein hinreichend starker Anreiz für die HTSL-Schicht, eine Korngrenze und damit das Weak-Link des Josephson-Kontakts auszubilden, wenn zwischen der HTSL-Schicht und dem Substrat eine oder mehrere Pufferschichten angeordnet sind. Der Knick ist idealerweise so scharf, dass sich in der HTSL-Schicht eine linienförmige Grenzfläche zwischen zwei Körnern ausbildet, deren Orientierungen sich in ihren c-Achsen voneinander unterscheiden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung trennt die Stufenkante einen planen Oberflächenbereich von einem gekrümmten Oberflächenbereich. Vorteilhaft beträgt dann der Krümmungsradius des gekrümmten Bereiches 10 nm oder mehr, bevorzugt 100 nm oder mehr und ganz besonders bevorzugt 1 μm oder mehr. Die HTSL-Schicht verläuft dann über die Stufenkante hinweg in Form einer Rutschbahn. Damit ist sichergestellt, dass die HTSL-Schicht durch die Stufenkante nur genau eine Korngrenze und damit genau ein Weak-Link ausbildet. Würde sie zwei oder mehr in Reihe geschaltete Weak-Links ausbilden, wäre das Bauelement nicht als Josephson-Kontakt brauchbar.
Vorteilhaft ist die Oberfläche des Substrats an der Stufenkante um einen Winkel zwischen 20° und 60°, bevorzugt zwischen 35° und 45°, geknickt. Insbesondere ein Knickwinkel von 40° bewirkt einen optimalen Winkel θ zwischen den c-Achsen der beiden Körner der HTSL-Schicht, die an der Korngrenze zusammentreffen.
Vorteilhaft ist die Texturierung rechteckig oder linienförmig. Eine linienförmige Texturierung kann an jedem Korn die a- oder b-Achse orientieren, eine rechteckige Texturierung kann an jedem Korn beide Achsen orientieren.
Als Material für die HTSL-Schicht ist jedes Material geeignet, in dem sich die Wellenfunktion der Cooper-Paare wie beschrieben anisotrop ausbreitet und in dem eine Korngrenze eine lokale Barriere für die Ausbreitung dieser Wellenfunktion darstellt. Neben YBCO sind somit auch alle anderen oxidischen Hochtemperatursupraleiter geeignet.
Bei gegebener kritischer Stromdichte J_c einer HTSL-Schicht mit einer gegebenen Dicke ergibt sich der kritische Strom I_c, der durch eine laterale Struktur mit einer bestimmten Breite fließen kann, zu I_c = J_c·Breite·Dicke. In einem Bauelement mit definiertem I_c ist daher die HTSL-Schicht lateral strukturiert, beispielsweise in Form einer Brücke mit definierter Breite, die über die Stufenkante hinweg verläuft. Mit einer derartigen Brücke lässt sich ein Detektor für THz-Strahlung oder ein RF-SQUID realisieren, mit zwei Brücken auch ein DC-SQUID. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf einen Detektor für THz-Strahlung sowie auf ein SQUID mit dem erfindungsgemäßen Bauelement. Das SQUID lässt sich mit einem Flusstransformator, beispielsweise im Sinne der deutschen Patentanmeldung 10 2009 025 716.0 , zu einem hochempfindlichen Magnetometer und/oder Gradiometer erweitern.
Das hier beschriebene Grundprinzip, an der Stufenkante eine Korngrenze zu erzeugen und zu beiden Seiten der Stufenkante die Kristallorientierung der Schicht in Relation zu dieser Korngrenze auszurichten, kann ganz allgemein angewendet werden. Beispielsweise können ferromagnetische, ferroelektrische und multiferroische Eigenschaften der Tunnelbarriere zwischen kristallinen oxidischen Schichten für neuartige elektronische Bauelemente nutzbar gemacht werden.
Im Rahmen der Erfindung wurde auch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements mit einem Josephson-Kontakt aus einem Substrat mit mindestens einer Stufenkante in seiner Oberfläche entwickelt. Dabei wird eine hochtemperatursupraleitende Schicht auf die Oberfläche aufgebracht, so dass sie sich zu beiden Seiten der Stufenkante erstreckt. Dieses Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung erfindungsgemäßer Bauelemente. Die für das erfindungsgemäße Bauelement gegebene Offenbarung gilt daher mutatis mutandis ausdrücklich auch für dieses Verfahren.
Erfindungsgemäß wird das Substrat texturiert, und/oder es wird eine texturierte Pufferschicht auf das Substrat aufgebracht. Anschließend wird die hochtemperatursupraleitende Schicht im Wege der Graphoepitaxie aufgebracht, so dass sie an der Stufenkante eine Korngrenze ausbildet und ihre a- und/oder b-Achse durch die Texturierung bis auf eine Abweichung von höchstens 10° senkrecht auf die Korngrenze ausgerichtet wird.
Es wurde erkannt, dass gerade durch die Graphoepitaxie ein Schichtwachstum erzielt werden kann, bei dem die a- und/oder b-Achse homogen senkrecht auf die Korngrenze ausgerichtet ist. Die Graphoepitaxie beginnt damit, dass sich zunächst Inseln, deren Orientierung oft unabhängig von der Kristallstruktur des Substrats ist, auf Kanten und Ecken der Texturierung bilden. Die Texturierung bewirkt so, dass diese Inseln unabhängig davon, wo sie sich in welcher Reihenfolge bilden, einheitlich orientiert werden. Wenn die Inseln zu einer Schicht vervollständigt werden, bildet sich aus der Nahordnung der einzelnen Inseln eine Fernordnung der Schicht. Diese kollektive Fernordnung erfasst auch anfänglich falsch oder gar nicht orientiert aufgewachsene Inseln.
Beim Wachstum von YBCO und anderen oxidischen Hochtemperatursupraleitern (HTSL) mit geschichteter Kristallstruktur begünstigen die Wachstumskinetik und die energetischen Verhältnisse an der Oberfläche die Bildung von Inseln (Plättchen) mit (100), (010) und (001) orientierten Oberflächen. Die [100]- und [010]-Achsen dieser Inseln richten sich an Kanten, Erhebungen oder Vertiefungen der Oberfläche, auf die der HTSL aufgebracht wird, aus. Wird eine Texturierung mit senkrecht auf die Stufenkante orientierten derartigen Features in das Substrat oder in eine zwischen Substrat und HTSL aufgebrachte Pufferschicht eingebracht, können zunächst die Inseln und später die a- und/oder b-Achse der ganzen Schicht auf die Stufenkante und damit auf die Korngrenze hin orientiert werden.
Beispielsweise kann YBCO auf MgO oder YSZ aufgebracht werden. Die Gitterfehlanpassung von YBCO zu MgO bzw. YSZ beträgt 9% bzw. 4%. Je größer die Gitterfehlanpassung ist, desto größer wird die Oberflächenenergie der aufwachsenden HTSL-Schicht. Dadurch steigt auch die potentielle Energie, die diejenigen Oberflächenkonfigurationen, die nicht dem energetischen Minimum entsprechen, gegenüber diesem Minimum haben. Diese potentielle Energie wiederum ist eine treibende Kraft für die Umorientierung. Somit wird es bei größerer Gitterfehlanpassung schwieriger, einkristallines Wachstum zu erzielen, aber es wird einfacher, mittels Graphoepitaxie aufzuwachsen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Orientierung der c-Achse der hochtemperatursupraleitenden Schicht von der Orientierung des Substrats entkoppelt, indem vor dem Aufbringen der hochtemperatursupraleitenden Schicht eine antiepitaktische Pufferschicht aufgebracht wird, die entweder amorph ist oder eine nicht zum Substrat und/oder zur hochtemperatursupraleitenden Schicht epitaxiekompatible Kristallstruktur aufweist. Dabei kann die antiepitaktische Pufferschicht selbst texturiert werden. Sie kann aber auch zwischen Substrat und texturierter Pufferschicht oder zwischen texturierter Pufferschicht und HTSL-Schicht aufgebracht werden. Wird die c-Achse der HTSL-Schicht von der Orientierung des Substrats entkoppelt, richtet sich ihre Orientierung allein nach den energetischen Verhältnissen der HTSL-Schicht selbst. Dementsprechend ist eine Orientierung der c-Achse senkrecht zur Schichtebene bevorzugt.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung hierdurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:
1: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit zwei Pufferschichten.
2: Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements mit nur einer Pufferschicht.
3: AFM-Aufnahme eines texturierten Substrats.
4: AFM-Aufnahme einer YBCO-Schicht auf einer antiepitaktischen Pufferschicht aus MgCO₃, die wiederum auf ein texturiertes MgO-Substrat aufgebracht wurde.
5: Elektronenmikroskopische Aufnahme einer YBCO-Schicht, die auf einer zu dicken antiepitaktischen Pufferschicht aufgewachsen wurde.
6: Elektronenmikroskopische Aufnahme einer YBCO-Schicht, die auf einer gegenüber 5 dünneren antiepitaktischen Pufferschicht aufgewachsen wurde.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements. Auf dem Substrat 1.1 aus MgO mit einer durch Ionenstrahl-Ätzung gereinigten Oberfläche befindet sich eine texturierte, etwa 10 nm dicke, homoepitaktische MgO Pufferschicht 1.2. Durch die Reinigung des Substrats wurde eine amorphe Schicht von dessen Oberfläche entfernt; dies ermöglicht das homoepitaktische Wachstum. Durch die raue Inselstruktur der Pufferschicht 1.2 ist automatisch eine Texturierung vorgegeben. Auf der homoepitaktischen Pufferschicht 1.2 befindet sich eine etwa 0,5 nm dicke antiepitaktische Pufferschicht 1.3 aus MgCO₃. Diese entkoppelt die Orientierung der c-Achse der darauf aufgebrachten etwa 150 nm dicken YBCO-Schicht 1.4 vom Einfluss des Substrats 1.1. Die c-Achse ist daher überall senkrecht auf der Oberfläche der YBCO-Schicht 1.4. Zugleich sind die a- und b-Achsen an der rechteckigen Insel-Struktur (Texturierung) der homoepitaktischen MgO Schicht orientiert. Die amorphe MgCO₃-Pufferschicht kann mit unterschiedlichen Depositionsmethoden hergestellt werden. Beispielsweise kann das MgCO₃ mit einer kurzen chemischen Reaktion des MgO in einem CO₂-Plasma oder in organischen Flüssigkeiten wie, zum Beispiel, Aceton gebildet werden. Es kann aber auch natürlicherweise durch eine Exposition der MgO-Oberfläche an Luft aufwachsen. An Stelle von MgCO₃ kann auch eine 0,5 nm bis 1 nm dicke CeO₂-Schicht als antiepitaktische Pufferschicht verwendet werden.
Das Substrat 1.1 weist eine scharfe Stufenkante auf. Diese veranlasst die YBCO-Schicht 1.4, eine Korngrenze 1.5 auszubilden. Diese bildet das Weak-Link für den Josephson-Kontakt. Die Stufenkante trennt einen planen Oberflächenbereich des Substrats 1.1 von einem gekrümmt verlaufenden Bereich, der wiederum stetig in einen weiteren planen Bereich übergeht. Dabei ist der Krümmungsradius jeweils hinreichend weit, so dass die YBCO-Schicht 1.4 keine weitere Korngrenze ausbildet.
Die Texturierung der Pufferschicht 1.2 hat eine Vorzugsrichtung senkrecht zur Stufenkante des Substrats 1.1. Dementsprechend ist die a- und/oder b-Achsen der YBCO-Schicht 1.4 zu beiden Seiten der Stufenkante jeweils senkrecht zur Korngrenze 1.5 orientiert. Damit kann ein maximaler Suprastrom I_c mit maximalen Widerstand R_n im normalleitenden Zustand durch die Korngrenze 1.5 transportiert werden.
Die laterale Strukturierung der YBCO-Schicht 1.4 in der Schichtebene, die aus der Schicht das konkrete Bauelement formt, ist in 1 nicht eingezeichnet.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelements. Auf dem Substrat 2.1 ist eine antiepitaktische Schicht 2.2 aufgebracht, die gleichzeitig texturiert ist. Sie entkoppelt somit die Orientierung der c-Achse der darauf aufgebrachten YBCO-Schicht 2.3 vom Einfluss des Substrats 2.1, während ihre Texturierung zugleich die a-Achse der YBCO-Schicht 2.3 in Richtung der Korngrenze 2.4 orientiert. Ursache für die Korngrenze 2.4 ist die Stufenkante im Substrat 2.1. Die laterale Strukturierung der YBCO-Schicht 23 in der Schichtebene, die aus der Schicht das konkrete Bauelement formt, ist in 2 nicht eingezeichnet.
3 zeigt eine AFM-Aufnahme eines texturierten Substrats. Teilbild a ist die topographische Aufnahme, Teilbild b zeigt das das Phasensignal, in dem topographische Features nicht höhentreu, aber dafür verdeutlicht hervortreten. Teilbild c ist ein Linescan, der in unmittelbarer Nähe zur Stufenkante aus der topographischen Aufnahme entnommen wurde.
Im Linescan in Bild 3c sind vier Punkte 1 bis 4 markiert. Die folgende Tabelle gibt oberhalb der Diagonalen die laterale Entfernung von einem Punkt zu den anderen Punkten und unterhalb der Diagonalen den Höhenunterschied von einem Punkt zu den anderen Punkten an:
4 zeigt eine AFM-Aufnahme einer YBCO-Schicht, die auf einer antiepitaktischen Pufferschicht aus MgCO₃ aufgewachsen wurde, welche wiederum auf einem texturierten MgO-Substrat aufgewachsen wurde. Aus dieser Schicht kann durch geeignete laterale Strukturierung, die einen Josephson-Kontakt mit definierten Dimensionen und damit auch definiertem I_c schafft, ein Bauelement mit einem Josephson-Kontakt gefertigt werden. Teilbild a zeigt die topographische Aufnahme, Teilbild b zeigt das Phasensignal. Teilbild c ist ein der topographischen Aufnahme entnommener Linescan. Die Stufenkante verläuft in den Teilbildern a und b diagonal von links oben nach rechts unten.
Das Phasenbild b zeigt deutlich, dass die Kristallstruktur des YBCO sich an der Stufenkante stark ändert. Auf dem oberen Plateau der Stufenkante links unten im Bild ist das YBCO in annähernd rechteckig begrenzten Spiralstrukturen aufgewachsen, wobei eine Seite des Rechtecks jeweils senkrecht auf die Stufenkante und damit auf die Korngrenze zwischen den beiden verschiedenen Kristallorientierungen ausgerichtet ist. Jenseits der Stufenkante, rechts oben im Bild, ist das YBCO in einer raueren Struktur aus rechteckig begrenzten Inseln aufgewachsen, bei denen eine Seite wiederum rechtwinklig auf die Stufenkante ausgerichtet ist.
Im Linescan in Bild 4c sind vier Punkte 1 bis 4 markiert. Die folgende Tabelle gibt oberhalb der Diagonalen die laterale Entfernung von einem Punkt zu den anderen Punkten und unterhalb der Diagonalen den Höhenunterschied von einem Punkt zu den anderen Punkten an:
5 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines fehlgeschlagenen Versuchs, ein erfindungsgemäßes Bauelement herzustellen. Die Aufnahme zeigt die Oberfläche einer YBCO-Schicht, die auf einer etwa 10 nm dicken antiepitaktischen Pufferschicht aus MgCO₃ aufgewachsen und noch nicht lateral strukturiert wurde. Diese antiepitaktische Pufferschicht war wiederum auf einem texturierten MgO Substrat mit einer Stufenkante aufgewachsen worden. Die Stufenkante verläuft in der Bildmitte senkrecht von oben nach unten.
Das YBCO ist in Form von terrassenähnlichen Körnern mit annähernd rechteckiger Grundfläche aufgewachsen. Die Körner wachsen entlang der c-Achse des YBCO in die Höhe. Diese Achse steht offensichtlich senkrecht auf der Zeichenebene, so dass die antiepitaktische Pufferschicht die Orientierung der c-Achse erfolgreich vom Einfluss des Substrats entkoppelt hat, das bestrebt ist, die c-Achse in die Schichtebene zu drehen. Die Kanten der Grundfläche eines jeden Korns sind die a- und b-Kristallachsen des YBCO. Bei fast allen sichtbaren Körnern bilden die a- und b-Kristallachsen einen Winkel von 45° mit der Stufenkante. Dies ist gerade der Winkel, bei dem nur ein minimaler Suprastrom zwischen den beiden Elektroden des Josephson-Kontakts zu beiden Seiten der Stufenkante transportiert werden kann. Der Erfinder führt dies darauf zurück, dass die antiepitaktische Pufferschicht zu dick war. Sie hat nicht nur die Orientierung der c-Achse der YBCO-Schicht vom Substrat entkoppelt, sondern die YBCO-Schicht auch so stark von der in das Substrat eingebrachten Texturierung abgeschirmt, dass diese die a- und b-Achsen des YBCO nicht mehr orientieren konnte.
6 zeigt einen gleichwertigen Ausschnitt aus einer erfolgreich hergestellten erfindungsgemäßen YBCO-Schicht vor der lateralen Strukturierung zum konkreten Bauelement. Gegenüber 5 wurde die Dicke der antiepitaktischen Pufferschicht auf 0,5 nm reduziert. Dies hat bewirkt, dass nunmehr die a-Achse der weitaus meisten Körner senkrecht auf der in der Bildmitte von oben nach unten verlaufenden Stufenkante steht. Dadurch kann ein maximaler Suprastrom über die Stufenkante und damit auch über den Josephson-Kontakt transportiert werden. Zugleich hat die antiepitaktische Pufferschicht nach wie vor die Orientierung der c-Achse vom Einfluss des Substrats entkoppelt. Die Orientierung der c-Achse ist gegenüber 5 unverändert.

Claims

Bauelement mit einem Josephson-Kontakt, umfassend ein Substrat mit mindestens einer Stufenkante in seiner Oberfläche und eine darauf angeordnete Schicht aus einem hochtemperatursupraleitenden Material, wobei diese Schicht an der Stufenkante eine Korngrenze aufweist, die das Weak-Link des Josephson-Kontakts bildet, und wobei die hochtemperatursupraleitende Schicht graphoepitaktisch auf ein texturiertes Substrat und/oder auf mindestens eine zwischen dem Substrat und der hochtemperatursupraleitenden Schicht angeordnete texturierte Pufferschicht aufgewachsen ist, wobei durch die Texturierung auf beiden Seiten der Stufenkante die a- und/oder die b-Kristallachse in der Ebene der hochtemperatursupraleitenden Schicht bis auf eine Abweichung von höchstens 10° senkrecht auf die Korngrenze ausgerichtet ist.
Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der hochtemperatursupraleitenden Schicht und dem Substrat eine antiepitaktische Pufferschicht angeordnet ist, wobei diese antiepitaktische Pufferschicht entweder amorph ist oder eine nicht zum Substrat und/oder zur hochtemperatursupraleitenden Schicht epitaxiekompatible Kristallstruktur aufweist, so dass die c-Achse der hochtemperatursupraleitenden Schicht bis auf eine Abweichung von höchstens 10° senkrecht auf der Oberfläche dieser Schicht steht.
Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die antiepitaktische Pufferschicht eine Dicke von 10 nm oder weniger, bevorzugt von 1 nm oder weniger und ganz besonders bevorzugt von 0,5 nm oder weniger, aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gitterkonstante der antiepitaktischen Pufferschicht in der Schichtebene näher an den Gitterkonstanten a und b in der Ebene der hochtemperatursupraleitenden Schicht liegt als an jedem ganzzahligen Vielfachen oder Teiler der Gitterkonstanten c dieser Schicht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die antiepitaktische Pufferschicht texturiert ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat und der antiepitaktischen Pufferschicht oder zwischen der antiepitaktischen Pufferschicht und der hochtemperatursupraleitenden Schicht eine weitere texturierte Pufferschicht angeordnet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine texturierte Pufferschicht als alleinige Pufferschicht unmittelbar zwischen dem Substrat und der hochtemperatursupraleitenden Schicht angeordnet ist.
Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die texturierte Pufferschicht um mindestens 20%, bevorzugt um mindestens 50% und ganz besonders bevorzugt um mindestens 100% dicker ist als die antiepitaktische Pufferschicht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die texturierte Pufferschicht eine Dicke von 10 nm oder weniger, bevorzugt von 1 nm oder weniger und ganz besonders bevorzugt von 0,5 nm oder weniger, aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die texturierte Pufferschicht in ihrer Ebene eine Gitterkonstante aufweist, die zwischen 90% und 100% der Gitterkonstanten der hochtemperatursupraleitenden Schicht entlang einer ihrer Achsen a oder b in der Schichtebene beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Texturierung Erhebungen und/oder Vertiefungen mit einer mittleren Höhe bzw. Tiefe zwischen 1 nm und 5 nm umfasst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius des Substrats an der Stufenkante 5 nm oder weniger, bevorzugt 1 nm oder weniger, beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufenkante einen planen Oberflächenbereich von einem gekrümmten Oberflächenbereich trennt.
Bauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Krümmungsradius des gekrümmten Bereiches 10 nm oder mehr, bevorzugt 100 nm oder mehr und ganz besonders bevorzugt 1 μm oder mehr, beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Substrats an der Stufenkante um einen Winkel zwischen 20° und 60°, bevorzugt zwischen 35° und 45°, geknickt ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Texturierung rechteckig oder linienförmig ist.
Detektor für THz-Strahlung oder supraleitendes Quanteninferferometer, SQUID, gekennzeichnet durch mindestens ein Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements mit einem Josephson-Kontakt aus einem Substrat mit mindestens einer Stufenkante in seiner Oberfläche, wobei eine hochtemperatursupraleitende Schicht auf die Oberfläche aufgebracht wird, so dass sie sich zu beiden Seiten der Stufenkante erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat texturiert und/oder eine texturierte Pufferschicht auf das Substrat aufgebracht wird und anschließend die hochtemperatursupraleitende Schicht im Wege der Graphoepitaxie aufgebracht wird, so dass die hochtemperatursupraleitende Schicht an der Stufenkante eine Korngrenze ausbildet und ihre a- und/oder b-Achse durch die Texturierung bis auf eine Abweichung von höchstens 10° senkrecht auf die Korngrenze ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der c-Achse der hochtemperatursupraleitenden Schicht von der Orientierung des Substrats entkoppelt wird, indem vor dem Aufbringen der hochtemperatursupraleitenden Schicht eine antiepitaktische Pufferschicht aufgebracht wird, die entweder amorph ist oder eine nicht zum Substrat und/oder zur hochtemperatursupraleitenden Schicht epitaxiekompatible Kristallstruktur aufweist.