DE2556777C2

DE2556777C2 - Supraleitende Interferometerstruktur mit wenigstens zwei Josephson-Kontakten

Info

Publication number: DE2556777C2
Application number: DE2556777A
Authority: DE
Inventors: Walter H. Putnam Valley N.Y. Henkels
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-12-31
Filing date: 1975-12-17
Publication date: 1982-08-26
Also published as: US4028714A; DE2556777A1; IT1044748B; FR2309987A1; GB1485655A; CA1030272A; FR2309987B1; JPS5184591A; JPS6059754B2

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Interferometer-Struktur nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Josephson-Kontakte beruhen auf der Kopplung makroskopischer Quantenzustände in zwei Supraleitern, die durch eine außerordentlich dünne Potentialschwelle getrennt sind. Wenn ein gewisser Wert des Stromes im Kontakt überschritten wird, oder wenn ein Magnetfeld in der Nähe eines einen Suprastrom führenden Kontaktes erzeugt wird, so schaltet die Anordnung rasch vom spannungsfreien Zustand zum Zustand mit der Spannung 2A/e, der Spannung der Energielücke des Kontaktes. Der magnetische Fluß kann durch ein oder mehrere Steuerelemente angelegt werden, z. B. durch Leiter, die über den Josephson-Kontakt hinweggeführt, aber von letzterem durch einen Isolator getrennt sind, welcher aber dicker ist als daß ein Tunneleffekt möglich wäre. Außer Schaltfunktionen kann ein Josephson-Kontakt auch Speicherfunktionen ausüben durch Speicherung von MagnetfluE-Quanten; es wird dazu verwiesen auf Zappe, »A Single Flux Quantum Josephson Junction Memory Cell«, Applied Physics Letters, Vol.25, S. 424-426 (1.Oktober 1974) sowie auf Gueret, »Experimental Observation of the Switching Transients Resulting from Singla Fux Quantum Transitions in Superconducting Josephson Devices«, ibid„ S. 426-428. Die Speicheranwendung beruht auf dem Vorkommen vieler überlappender Betriebsarten, die als Flußschlauch-Betriebsarten bezeichnet werden können und erstmalig beschrieben wurden von Owen and Scalapino in Physical Review, VoI. 164, S. 358-544 (10. Dezember 1967).

Supraleitende Interferometer-Strukturen mit wenigstens einem Paar von zu einer supraleitenden Schleife verbundenen Josepiison-Kontakten zeigen bekanntlich viele Eigenschaften von einzelnen Josephson-Kontakten. Insbesondere können mit Interferometern Schalt- und Fluß-Speicher-Funktionen wie bei Einzel-Kontakten durchgeführt werden; der hauptsächliche Unterschied besteht darin, daß bei Interferometern der magnetische Fluß hauptsächlich der supraleitenden Schleife statt dem Kontakt zugeführt wird. Bei gegebener Größe der Anordnung erlaubt die Kopplungsart des Interferometers eine größere Empfindlichkeit gegenüber dem Magnetfeld als es mit einem einzelnen Kontakt der gleichen Gesamtabmessung möglich ist; diesem Grunde scheinen Interferometer vom Standpunkt der Miniaturisierung attraktiv zu sein. Wie bei anderen integriert aufgebauten elektronischen Anordnungen ist es wünschenswert, die Größe und die Verlustleistung von Josephson-Anordnungen möglichst klein zu halten. Es gibt jedoch einige Effekte, welche die Verkleinerung von Größe und Leistung begrenzen. Um ein einzelnes Flußquant in einem Josephson-Kontakt zu speichern, muß

i' I₀ = Φο

sein, wobei \> die Induktivität der Schleife darstellt, I₀ den höchsten Suprastrom der ganzen Anordnung und Φο das Fluß-Quant

Φο = hl2e = 2,07 χ ΙΟ-¹⁵ Weber.

Wenn also der Strompegel zur Verkleinerung der Abmessungen und der Verlustleistung verringert werden soll, so muß zur Bewahrung der Speicherfähigkeit für ein Flußquant die Induktivität der Schleife vergrößert werden.

Die Leiter einer solchen Anordnung werden gewöhn-Hch als Streifenleiter angesehen, deren Induktivität proportional zum Verhältnis Länge zur Breite ist. Die Verkleinerung eines Streifenleiters läßt die gesamte Induktivität konstant bleiben, da Länge und Breite proportional verkleinert werden können. Die Kapazität eines Streifenleiters ist jedoch proportional zu dem Produkt aus Länge und Breite. Die Kapazität vermindert sich deshalb mit der Verkleinerung und der Wellenwiderstand, der proportional zur Wurzel aus dem Verhältnis Induktivität zu Kapazität ist, nimmt zu.

Zudem sind Josephson-Kontakte Anordnungen für konstante Spannung; der Spannungsabfall 2AIe ist unabhängig von der Kontaktgröße. Die Ströme vermindern sich bei Josephson-Schaltungen deshalb mit

der Größe der Anordnung. Schließlich verringert sich der Suprastrom, der durch einen Kontakt geschickt werden kann, für eine gegebene Josephson-Stromdichte mit den Kontaktabmessungen. Aus allen diesen Gründen verringern sich der Strom /o und das Produkt

I' I₀ bei Verkleinerung der Anordnung. Die Grenze ist dann erreicht, wenn ein einzelnes Flußquant nicht mehr festgehalten werden kann. Dies schien früher eine grundsätzliche Grenze für die Miniaturisierung und Verlustleistungs-Verminderung bei supraleitenden Interferometern.

Das Phänomen der »kinetischen Induktivität« wurde schon angetroffen in Verbindung mit Experimenten bei dünnen Filmen. Man stellte fest, daß die Induktivität vergrößert werden konnte durch Verkleinerung der Filmdicke unter die supraleitende Eindringtiefe (A) des Filmes bei Temperaturen des Supraleiterbereichs. Dieses Phänomen wurde zuerst in den »Proceedings of the Symposium on the Physics of Superconduction Devices«, April 1967, U. of Va., Charlottesville, Va., erwähnt, und zwar in dem Artikel von L^:*.tle: »Device Application of Super-Inductors«.

Interferometer wurden schon in Physical Review, Vol. 140, No. 5A, November 29,1965, S. A1628 in einem Artikel »Macroscopic Quantum Interference in Superconductors« von R.C. Jaklevic sowie in Physical Review B, VoI 6, No. 3, Aug. 1, 1972, S. 855 in einem weiteren Artikel »Quantum Interference Properties of Double Josephson Junctions« von TA. Fulton u. a. beschrieben. Diese Interferometerstrukturen zeigen keine kinetische Induktivität. Eine Interferometer-Struktur mit Verbindungen in Form von Streifenleitern ist z. B. aus der deutschen Patentschrift 12 43 292 bekannt.

Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, die geometrischen Abmessungen und die Verlustleistung von supraleitenden Anordnungen und von Interferometer-Strukturen zu verringern. Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele werden durch Zeichnungen erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine supraleitende Sreifenleiter zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 gibt die Seitenansicht eines Josephson-Interferometers nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

F i g. 3 zeigt eine Aufsicht auf die F i g. 2;

Fig.4 ist die Seitenansicht eines Josephson-Interferometers mit Mehrfachsteuerung;

F i g. 5 zeigt eine Aufsicht auf F i g. 4;

F i g. 6 ist der Querschnitt durch eine andere, L₀₀ =

gegenüber F i g. 2 und 4 vereinfachte Ausführungsform;

Fig.7 und 8 sind weitere Ausführungsfo-men der Erfindung und

F i g. 9 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einer besonderen S-N- S-Struktur.

Die nicht maßstäblilche Darstellung der F i g. 1 zeigt das Endstück einer Anordnung 100 mit zwei supraleitenden Schichten 101 und 102, die durch die Isolierschicht 103 getrennt sind. Die Breite der Anordnung ist mit w bezeichnet und die Gesamtdicke der Schichten 101 und 102 ist Γι und T₂. Die Dicke der Isolierschicht ist mit t bezeichnet Dann ist nach Kapitel 6 des Buches von R.E. Matick »Transmission Lines for Digital and Communication Networks« die gesamte Induktivität pro Längeneinheit der Anordnung 100:

TiAl₁)+;^coth(r₂//l₂)),

wobei At und Ai die supraleitenden Eindringtiefen in den Schichten 101 und 102 darstellen. Die skalare Permeabilität ist mit μ₀ bezeichnet

Der zweite und dritte Ausdruck der obigen Gleichung stellen den auf die Dicke der supraleitenden Schichten zurückzuführenden induktiven Effekt dar. Für Schichtdicken, die mehr als das Dreifache der Eindringtiefe betragen, kann die Induktivität pro Längeneinheit angenähert werden durch

woöei Lm die Induktivität (pro Längeneinheit) in normalleitendem Zustand der Anordnung bedeutet. (Es ist hier anzumerken, daß alle Interferometer-Anordnungen eine kinetische Induktivität besitzen, die eine Funktion der Eindringtiefe und der Isolierschichtdicke ist; die obige Beziehung läßt aber den viel größeren Effekt unberücksichtigt, der auftritt, wenn die Eindringtiefe viel größer ist als die tatsächliche Dicke der beteiligten Leiter. Niemand hat erkannt, daß man durch Verminderung der Dicke wenigstens einer der Schichten einer In lerferometer-Anordnung einen unbedeutenden Effekt einer bekannten Anordnung in einen vorherrschenden Effekt der erfindungsgemäßen Anordnung überführen kann.)

Der Induktivitätsbeitrag aus endlicher Supraleiter-Dicke ist bei dicken Schichten klein. Beim anderen Extremfall aber, wenn die supraleitenden Schichten 101 und 102 viel dünner gemacht werden als ihre Eindringtiefen (z. B. weniger als 1/3 dieser Werte), werden die Beiträge der Supraleiter vergrößert und können folglich den Beitrag der magnetischen Induktivität Lm im normalleitenden Zustand übersteigen:

..Mt λ+jl + i-

w \ r, T₂

Dieses Phänomen der »kinetischen Induktivität«, das auf alle supraleitenden Materialien zutrifft, kann zu einer bedeutenden Erhöhung der gesamten Selbstinduktion {' praktischer Anordnungen herangezogen werden.

Es werden noch zwei weitere Induktivitätswerte definiert, die sich zu der oben genannten Induktivität wie folgt verhalten:

Wenn

ist, wobei Loo die Induktivität einer Anordnung ist mit einer sehr großen Supralciterdicke im Vergleich zur Eindringtiefe A\ und λι und wobei Lm die Induktivität im normalleitenden Zustand ist, dann ist der Teil der Gesamtinduktivität, welcher von der Erhöhung der kinetischen Induktivität herrührt — die Dicke des einen oder beider Supraleiter ist kleiner als die Eindringtiefe - bestimmt durch

Lk=Lt- Leo .

Der Bruch Lk/L<x> ist eine Art, den Grad der Vergrößerung der gesamten Selbstinduktion auszudrük-

ken, die von der Verkleinerung der Supraleiter-Dicke unter die Eindringtiefe herrührt. Dieses Verhältnis, »Verbesserungsverhältnis« genannt, ist von Bedeutung für die Lehre der vorliegenden Erfindung, indem es genau die Unterscheidung zwischen der vorliegenden Anordnung und konventionellen supraleitenden Interferometern erlaubt. Allgemeiner gesagt ist für Anordnungen mit hohem Beitrag an kinetischer Induktivität das Verhältnis Lk/L» groß; andererseits ist dieses Verhältnis klein, wenn die magnetische Induktivität im normalleitenden Zustand vorherrscht (das Verhältnis ist dann kleiner als 1).

Die F i g. 2 und 3 zeigen eine Interferometer-Anordnung 200 mit Josephson-Kontakten nach der Erfindung. Die Anordnung enthält drei supraleitende Schichten 201, 202 und 203, zwei Tunnel-Kontakte, gebildet aus den Schichten 202 und 203 und aus den Tunnei-Oxidsperrschichten 204 und 205. Eine Isolierschicht 206 (Fig.3) ist zwischen den Schichten 201 und 203 eingebracht. Die Leitungsverbindung 207 ist mit der Schicht 201 verbunden, die Selbstinduktion der Anordnung 200 beruht hauptsächlich auf der Ausbildung der supraleitenden Schichten 201 und 203 sowie des Isolators 206 als Streifenleiter (änlich der von F i g. 1).

Die supraleitenden Schichten 202 und 203 können dicker sein als ihre Eindringtiefe; dies ist durch das Dickenverhältnis T₁ und A3 der Schicht 203 von F i g. 2 dargestellt. Die Schicht 201 dagegen ist sehr dünn und so ausgebildet, daß sie eine große Eindringtiefe und eine sehr kleine kritische Dicke hat. Für einen Supraleiter mit m < ξο, wobei m der mittlere freie Weglänge der Elektronen und /_u die Kohärenzlänge bei der Temperatur 0 sind, gilt:

λ = λ,

Η*)⁴ J

1/2

35

dabei sind Al die London-Eindringtiefe und T_c die kritische Temperatur. Für eine feste Arbeitstemperatur Tkann deshalb A entweder durch Verminderung von m und/oder T_c vergrößert werden. Der Faktor m kann z. B. durch Zusatz von Verunreinigungen oder durch absichtliche Beschädigung des Kristallgitters durch Ionen-Bombardement vermindert werden.

Die Schicht 201 kann z. B. aus einem entsprechend behandelten Niobium mit 7! = 5nm und /?i = 200nm bestehen. Die Schicht 203 kann in üblicher Weise den Wert T3 = 500 nm und Az=80 nm haben. Die Abmessungen des Josephson-Kontakts und die Schleifenlänge kann dann sehr klein gemacht werden, z. B. Ij= Wj=I=X μπι. Bei einer Isolierschichtdicke f=800 nm und den angegebenen Parameterwerten wird die Induktivität pro Längeneinheit eiwä bei

Lr=-

55

liegen; dabei sind w=/,und die gesamte Selbstinduktion ist I' I ■ Lt= 11,2 pH. Der zur Aufrechterhaltung eines Flußquantums nötige Strom ist dann etwa I₀--= Φο/ i' =0,19 mA. Für einen Josephson-Kontakt mit einem Spannungsabfall 2zi/e=2^mV ist die maximale Verlustleitung P=Io · 2^/e=0,48 μ^ν. Das »Verbesserungsverhältnis« Lk/Loo, wie es früher definiert wurde, ist dann im Beispiel = 7,2. Eine weitere Verbesserung um den Faktor 2 kann durch Ersatz der konventionellen supraleitenden Schicht 203 durch eine dünne Schicht, wie 201. bewirkt werden.

Um einen Vergleich zu geben: Für Anwendungen ohne »kinetische Induktivität« wäre die übliche Dicke der Schicht 201 von der Größenordnung 400 nm bei einer Eindringtiefe von etwa 80 nm. Mit der Näherungsgleichung für dicke Schichten hätte diese Anordnung dann eine Gesamtinduktivität von nur 1,21 pH und folglich für dieselben Josephson-Kontakt- und Schleifen-Abmessungen einen Mindeststrom von 1,71 mA. Die Verlustleistung einer solchen Anordnung läge bei 4,3 μW, d. h. sie wäre neunmal so groß als bei der verbesserten Anordnung. Das Verbesserungsverhältnis ist bei dem Beispiel sehr klein, Lk/Z,m>=8,1 χ ΙΟ"⁶. Andererseits würde eine übliche Anordnung für dieselbe Verlustleistung wie bei der verbesserten Anordnung eine Schleifenlänge der supraleitenden Schicht 201 vom Betrag /=9,25 μηι erfordern. Übliche iriiiTieriiiücler ohne die kinetische Induktivität (Interferometer waren schon vor der Erfindung der kinetischen Induktivität bekannt) haben immer ein Verbesserungsverhältnis kleiner als 1; das gilt auch für Interferometer-Anordnungen neuerer Art.

F i g. 4 ist eine Seitenansicht einer Josephson-Anordnung 400, ähnlich denen der Fig. 2 und 3, aber mit zusätzlichen Elementen, so daß eine unsymmetrische Torschaltung mit mehreren Steuereingängen entsteht.

Die supraleitende Schicht 401 ist dünn und hat eine große Eindringtiefe wie die Schicht 201 im vorigen Bespiel. Die Schichten 402 und 403 sowie die Sperr-Isolierschichten 404 und 405 entsprechen den Schichten 202 bis 205 der Fig. 2 und 3. Die Schichten 403 i:nd 407 (letztere ist direkt mit der Schicht 401 verbunden) bilden Elektroden zur Verbindung entgegengesetzter Seiten des Josephson-Kontakts mit anderen (nicht gezeigten) Anordnungen. Auch hier kann die Schicht 403 entweder ein relativ dicker Supraleiter mit geringer Eindringtiefe oder ein dünner Leiter, wie die Schicht 401, mit hoher Eindringtiefe sein, um die Selbstinduktion weiter zu erhöhen. Die in F i g. 5 schematisch gezeigte Isolierschicht 406 bildet die Isolation zwischen den Schichten 401 und 403. Eine weitere Isolierschicht 408 liegt auf den Schichten 403 und 407. Bei der praktischen Ausführung erstrecken sich die Schichten 406 und 4OS über viele auf derselben Unterlage erstellte Anordnungen.

Drei gegeneinander isolierte, auf derselben Ebene befindliche Steuerleitungen 409, Hegen auf der Isolierschicht 408; sie liefern die Ströme zur Herstellung des spannungsbehafteten Zustandes oder des Fluß-Speicher-Zustandes für die Interferometer-Anordnung 400. Die Arbeitsweise einer solchen Interferometerschaltung ist ähnlich der einer einzelnen Josephson-Torschaltung, wie sie z. B. beschrieben ist in Matisoo, »The Tunneling Cryotron — A Superconductive Logic-Element Based on Electron Tunneling«, Proceedings of the IEEE, VoL 55, Seiten 172 bis 180, Februar 1967. Kurz gesagt, wenn die algebraische Summe der Ströme in den Steuerleitungen 409 eine durch die Geometrie der Anordnung bestimmte Schwelle überschreitet, springt die Spannung der Anordnung rasch von 0 auf den Wert 2AIe, d.h. auf die Spannung der Energielücke des benutzten Supraleiter-Materials. Die Anordnung 400 ist deshalb brauchbar für die Verwirklichung symmetrischer Schaltfunktionen, wie z. B. Schwellwertschaltungen oder Bool'sche Algebra. Wie bei der Anordnung 200 kann ein Faktor 2 für die Vergrößerung der Induktivität gewonnen werden, wenn man den durch die strichpunktierte Linie 410 eingegrenzten Teil der Schicht 403 entfernt (siehe F i g. 4).

Die Abmessungen der Anordnung 400 können dieselben sein wie bei der Anordnung 200, in welchem Falle die Breite jeder Steuerleitung in der Größenordnung von 0,17 μίτι liegt. Wenn die Summe der Ströme ausreicht, induziert das resultierende mit dem Interferometer gekoppelte Magnetfeld einen Kreisstrom in der Schleife, welcher den Josephson-Kontakt umschaltet. Für Anordnungen mit nur einer Steuerleitung können die Abmessungen durch Verwendung eines Materials größerer Eindringtiefe noch weiter verkleinert werden. Unter Beibehaltung der Kontakt-Länge und -Breite mögen die Dicke der Isolierschicht 406 und die Schleifenlänge beide 100 nm sein; die Fläche der ganzen Anordnung ist dann 3 χ 10-^l0 cm². Wenn nun die beiden Schichten 401 und 403 aus 5 nm dickem supraleitenden Material mit einer Eindringtiefe von 600 nm gemacht werden, dann wird die gesamte Induktivität {' = 181 pH, der Strom zur Aufrechterhaltung des Flußquantums /ο=11,4μΑ und die Verlustleitung P= 0,029 μW. Das Verbesserungsverhältnis wird hier L_KlL<x, = \Q§. Der Strom /o durch Kontakte solcher Abmessungen entspricht einer Stromdichte von 5,7 χ 10⁴ A/cm². Ein solcher Stromwert ist noch vernünftig weit weg von den Grenzen des Eigen-Rauschens; stabiles Arbeiten erfordert, daß /ο <(e/h)kT^<3,\ μΑ, wobei e die Ladung des Elektrons, Α=Λ/2λγ, Λ das Planck'sche Wirkungsquantum, k die Boltzmann'sche Konstante und Tdie absolute Temperatur sind. Die oben angegebenen Abmessungen nähern sich den voraussichtlichen Grenzen der Mikrominiaturisierung mit Elektronenstrahltechnik.

Die Anordnungen 200 und 400 sind klein, besitzen geringe Verlustleistung und können eine Vielzahl von logischen und Speicher-Funktionen sowie auch andere Schalt- und Abfühlfunktionen ausführen. Die Anordnungen sind verträglich mit dem hohen Kennwiderstand oder Wellenwiderstand, wie er in natürlicher Weise bei der Verkleinerung der Breite eines Streifenleiters entsteht Die Anordnung ist außerdem verträglich mit schwimmendem oder mit festem Potential einer Grundplatte, auf der die Interferometerstruktur angeordnet ist. Das Material für die dünnen Schichten 201 und 401 kann unabhängig von dem Materia! des Josephson-Kontakts und der Steuerleitungen ausgewählt und hergestellt werden. Die Anordnungen benutzen Josephson-Kontakte, bei denen die Stromverteilung gleichförmig und für die das Verhältnis IJX₁ unerheblich ist (Aj ist die Josephson-Eindringtiefe). So betrachtet bestehen also keine Beschränkungen für die Länge des Kontaktes, abgesehen von der technologischen Machbarkeit; die Abmessungen der Anordnungen können also viel kleiner sein als bei üblichem Aufbau.

Bisher ist über die Herstellungsschritte für Anordnungen nach den F i g. 1 bis 4 nichts ausgesagt worden. Nachfolgend werden dafür brauchbare Prozeßschritte angegebea

Normalerweise werden Anordnungen dieser Art auf einer Unterlage von Saphir oder einem anderen Nichtleiter aufgebracht (in F i g. 1 bis 4 nicht dargestellt). Die in Fig.2 sichtbare Schicht 201 aus Niobium oder einem anderen Supraleiter wird durch Vakuumaufdampfung oder eine andere Niederschlagstechnik in einer Dicke von etwa 5 nm aufgebracht Die Mindestdicke der supraleitenden Schicht 201 ist nur insofern kritisch, als sie zusammenhängend und elektrisch leitfähig sein muß. Die Größtdicke wird durch die Tatsache begrenzt, daß zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses die Schichtdicke kleiner sein muß als die supraleitende Eindringtiefe. Nach dem Niederschlag der Schicht 201 folgt eine Schicht 202 aus Blei oder einer Bleiverbindung mit einer Dicke von etwa 400 nm. In einem folgenden Schritt werden die Tunnel-Oxidsperrschichten 204 und 205 in der gewünschten Dicke (Größenordnung 3 nm) mit HF-Plasmaoxidation aufgebracht (die Technik ist in US-PS 38 49 276 gezeigt). Wahlweise kann auch durch Oxidation der Schicht 202 der gewünschte Effekt erreicht werden.

Die Isolierschicht 206 wird durch Niederschlag aus der Dampfphase in bekannter Weise gebildet. Ihre Ausmaße werden durch bekannte Techniken mit photolithographischen Masken und mit Ätzen bestimmt. Die supraleitende Schicht 203 (die Gegenelektrode) aus Blei oder einer Bleilegierung wird durch Vakuumauftragung oder dergleichen in einer Dicke von etwa 500 nm vorgesehen. In folgenden Schritten wird die Isolierschicht 408 der Fig.4 aus Siliziumoxid in gleicher Weise aufgebracht wie die Schicht 206. Als nächstes wird die Leitungsverbindung 207 aus supraleitendem Metall, wie Blei oder Bleioxid in Vakuum-Auftragstechnik über einen Teil der Schicht 201 aufgebracht, der zu diesem Zweck freigemacht wurde. Gleichzeitig wird die Steuerleitung über die Schicht 203 niedergeschlagen.

In der F i g. 6 ist im Schnitt eine Struktur gezeigt, bei der gegenüber den Anordnungen nach den F i g. 2 und 4 ein Teil eingespart wurde. Zusätzlich grenzt dort die Linie 600 ein Gebiet der oberen Schicht ab, das durch Ätzen oder ähnliche Arbeitsgänge entfernt werden kann. F i g. 6 hat also Ähnlichkeit mit der F i g. 2 abgesehen davon, daß die supraleitenden Schichten 202 weggelassen wurden. Die supraleitende Schicht 203 ist in F i g. 6 unmittelbar auf die Tunnel-Oxid-Sperrschichten 204 und 205 sowie auf die Isolierschicht 206 aufgetragen. Wie in F i g. 2 ist die supraleitende Schicht 201 sehr dünn und hat eine große Eindringtiefe sowie eine sehr kleine kritische Dicke. Die Eindringtiefe λ muß mit anderen Worten sehr viel größer sein als die tatsächliche Dicke der Schicht 201. Wenn in F i g. 6 das mit der Linie 600 umrandete Gebiet 601 entfernt wird, so hat die Anordnung eine kinetische Induktivität ähnlich der der Schicht 201. Die Entfernung kann durch bekannte Techniken erfolgen, so daß die Dicke T₆ etwa gleich ist der Dicke der supraleitenden Schicht 201. Te ist dann, wie gesagt, kleiner als die Eindringtiefe.

Eine Anordnung ähnlich der von F i g. 6 ist in F i g. 7 gezeigt; der Unterschied besteht darin, daß die Schicht 201 sehr viel dicker ist als in F i g. 2. Die Schicht 201 hat jedoch ein Gebiet 700 mit einer Dicke gleich der der Schicht 201 in Fig.2. Auf diese Weise wird ebenfalls eine kinetische Induktivität in der Schicht 201 der F i g. 7 hervorgerufen. Das Gebiet 700 kann durch bekannte Techniken (z. B. Maskieren und Sputter-Ätzen) in bekannter Weise gebildet werden. Nach der Abtragung wird die Isolierschicht 206 aus Siliziumoxid oder einem ähnlichen Material niedergeschlagen. Nach erneutem Maskieren wird die Isolierschicht 206 abgegrenzt und in bekannter Weise werden die Tunnel-Oxid-Sperrschicht 204 und 205 aufgetragen. Anschließend wird die Schicht 203 durch Vakuum-Aufdampfung oder andere Technik aufgebracht Die strichpunktierte Linie 701 der Fig.7 zeigt den Teil der Schicht 203, der abgetragen werden muß, um eine Schichtdicke von 7} zu bilden, wie sie die Schicht 201 der Fi g. 2 oder das Gebiet 700 der Fi g. 7 haben. Wie früher schon gesagt, verursacht die Existenz von zwei Schichten mit kinetischer Induktivität eine Vergrößerung der verfügbaren Induktivität um etwa den Faktor 2.

Fig.8 zeigt eine andere Anordnung im Schnitt, welche ebenfalls kinetische Induktivität nach dem Erfindungsgedanken besitzt. F i g. 8 ist der F i g. 7 ähnlich, abgesehen von dem Gebiet 800 aus Niobium-Oxid, das durch Anodisierung der Schicht 201 gebildet wurde und nur das Gebiet 700 unversehrt läßt.

Eine weitere Anordnung mit kinetischer Induktivität zeigt die Fig.9 mit einer S —N —S (Supraleiter-Normalleitendes Metall-Supraleiter)-Struktur. Das Gebiet 700 der Schicht 201 und die Isolierschicht 206 sind ebenso hergestellt wie bei F i g. 7 beschrieben. Danach wird eine Schicht 900 aus normalleitendem Metall, z. B. Kupfer, durch Vakuumauftrag oder eine andere Technik über die Schicht 201 und die Isolierschicht 206

aufgetragen. Es folgt darauf eine besonders dünne Schicht 901 aus supraleitendem Metall; sie hat eine Dicke T₃ gleich oder ähnlich der Dicke des Gebietes 700 und ist ebenfalls mit kinetischer Induktivität behaftet. Schließlich wird darauf die Schicht 203 aufgebracht. Der oberhalb der Schicht 206 liegende Teil der Schicht 203 kann ohne Beeinträchtigung der Funktion entfernt werden. In den F i g. 6 bis 9 wurden nur die zur Bildung der Josephson-Kontakte des Interferometers nötigen und die erforderlich kinetische Induktivität bildenden Schichten gezeigt. Weitere Steuerleitungen, ähnlich denen von F i g. 4, können natürlich auch bei den F i g. 6 bis 9 zur Anwendung kommen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Supraleitende Interferometer-Stniktur mit wenigstens zwei Josephson-Kontakten, die durch streifenförmige supraleitende Verbindungen zu einer supraleitenden Schleife verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke wenigstens einer der Verbindungen (201, Fig.2) wenigstens bereichsweise kleiner ist alü die Eindringtiefe des Suprastroms.

2. Interferometer-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken beider Verbindungen (201, 203) wenigstens bereichsweise kleiner sind als die Eindringtiefe des Suprastroms.

3. Interferometer-Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Verbindung(en) höchstens gleich einem Drittel der Eindringtieie des Suprastroms ist

4. Interferometer-Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Verbindung(en) höchstens gleich einem Vierzigste! der Eindringtiefe des Suprastroms ist.

5. Interferometer-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Josephson-Kontakte aus supraleitenden Schichten und dazwischen angeordneten Tunnelschichten (204, 205; 404, 405; 900) bestehen und in integrierter Bauweise beiderseits eines Isolierbereichs (206) großer Dicke angeordnet sind.

6. Interferometer-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Verbindungen (z.B. 700, Fig.7) als Teil der supraleitenden Schichten (z. B. 201, F i g. 7) der Josephson-Kontakte ausgebildet sind.

7. Interferometer-Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tunnelschicht (204, 205) direkt auf der Verbindung geringer Dicke (201) aufgebracht ist (F i g. 6).

8. Interferometer-Struktur nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tunnelschicht (900) als dünne Schicht aus normalleitendem Metall ausgebildet ist (F i g. 9).

9. Interferometer-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerleitungen (409) isoliert über dem Interferometer angeordnet sind.