DE3850632T2

DE3850632T2 - Supraleiterelement und Verfahren zu seiner Herstellung.

Info

Publication number: DE3850632T2
Application number: DE3850632T
Authority: DE
Inventors: Koh-Ichi C O Patent Divis Kubo; Koichi C O Patent Di Mizushima; Jiro C O Patent Divisi Yoshida
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-10-27
Filing date: 1988-10-27
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2008-10-28
Also published as: DE3850632D1; EP0314484B1; EP0314484A2; US5545612A; EP0314484A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Supraleiterelement mit einem Oxidkeramiksupraleiter und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
In jüngster Zeit hat ein Supraleiter aus einem Oxidkeramikwerkstoff als Hochtemperatursupraleiter große Beachtung gefunden. Die meisten derartigen Supraleiter sind jeweils Perowskit-Struktur aufweisende Oxidsupraleiter mit einem Seltenerdeelement. Ein solcher Oxidsupraleiter soll bei geeigneter Wahl seiner Zusammensetzung Supraleitereigenschaften (d. h. die kritische Temperatur ist die Temperatur von flüssigem Stickstoff oder höher) bei hoher Temperatur, nämlich der Temperatur von flüssigem Stickstoff oder mehr, aufweisen. Mit fortschreitenden Fabrikationstechniken läßt sich ein Oxidsupraleiter höherer kritischer Temperatur herstellen. Darüber hinaus läßt sich ein Oxidsupraleiter im Vergleich zu einem üblichen Supraleiter aus einem Metall oder einer intermetallischen Verbindung ohne Schwierigkeiten herstellen. Folglich waren die Erwartungen auf eine Supraleiterelement mit einem derartigen Oxidsupraleiter gerichtet.
Die meisten durch ein Josephson-Element repräsentierten Supraleiterelemente umfassen einen Supraleiter/Isolator/ Supraleiter-Übergang oder einen Supraleiter/Halbleiter/Supraleiter-Übergang als Grundstruktur.
Wenn ein Oxidsupraleiter der beschriebenen Art bei einem solchen Supraleiterelement zum Einsatz gelangt, ist die Kohärenzlänge des Supraleiters kurz. Die Elementkennwerte hängen in hohem Maße vom Zustand der Grenzfläche zwischen Supraleiter und Isolator und dergl. ab. Darüber hinaus bereitet es Schwierigkeiten, auf einem Oxidsupraleiter einen guten Isolierfilm auszubilden. In anderen Worten gesagt, zeigt der Oxidsupraleiter schlechte Übergangseigenschaften zu irgendeinem der meisten Werkstoffe. Als einen Oxidsupraleiter verwendendes Element wurden Prüflinge nach einem Übergangsschema vom Punktkontakt- oder Schlitztyp anstelle des Supraleiter/Isolator/Supraleiter-Übergangsschemas hergestellt.
Ein Oxidsupraleiter besitzt auch schlechte Übergangseigenschaften zu einem Halbleiter, wie Si oder GaAs. Folglich läßt sich kaum ein Elementprüfling mit Supraleiter/Halbleiter/Supraleiter-Übergang herstellen.
Darüber hinaus besitzt ein Oxidsupraleiter schlechte Übergangseigenschaften zu einem Metall. Es bereitet Schwierigkeiten, eine ohmische Elektrode mit ausreichend niedrigem Kontaktwiderstand bereitzustellen.
Zur Herstellung eines Supraleiterelements guter Kennwerte unter Verwendung eines Oxidsupraleiters müssen somit vornehmlich die schlechten Übergangseigenschaften zwischen einem Supraleiter und einem Isolator, einem Halbleiter oder einem Metall verbessert werden.
Der vorliegenden Erfindung lag folglich die Aufgabe zugrunde, ein Supraleiterelement, bei dem die schlechten Übergangseigenschaften zwischen einem Oxidsupraleiter und einem weiteren Werkstoff beseitigt sind und das gute Kennwerte aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben anzugeben.
Aus der EP-A-0 301 675 ist eine Oxidsupraleiter/Edelmetall/ Isolator/Supraleiter-Struktur mit AgO als Isolator bekannt.
Aus "Jap J Appl. Phys.", 26 (1987), Seiten L1443 - L1444 (A. Inoue und Mitarbeiter) ist die Herstellung eines Supraleiters durch Ablagern von Au und anschließend Al auf einem Oxidsupraleiterteil der Y-Ba-Cu-O-Reihe, Oxidieren zur Bildung einer Zwischenschicht und Ausbilden von Nb auf der Zwischenschicht bekannt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Supraleiterelement bereitgestellt, das
ein erstes Teil aus einem Oxidsupraleiter;
ein zweites Teil zur Bildung eines Übergangs mit dem ersten Teil und
eine zwischen ersten und zweiten Teilen eingefügte Zwischenschicht aus einem Normalleiter umfaßt, wobei die Zwischenschicht das erste Teil kontaktiert und die Zwischenschicht einen aus einem Oxid bestehenden Normalleiter enthält.
Gegenstand einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Supraleiterelements durch
Ausbilden einer silberhaltigen Schicht auf einem ersten Teil aus einem Oxidsupraleiter;
Erwärmen des ersten Teils mit der silberhaltigen Schicht in einer Sauerstoffatmosphäre zur Oxidation der silberhaltigen Schicht unter Ausbildung einer Zwischenschicht und
Ausbilden eines zweiten Teils auf der Zwischenschicht, wobei die Zwischenschicht die Zusammensetzung AgO (mit 0 ≤ x ≤ 1/2) aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung bildet das erste Teil und die Zwischenschicht einen Übergang zwischen dem Supraleiter und dem normalen Leiter. Wenn der Supraleiter an den normalen Leiter gebunden ist, vermag der normale Leiter innerhalb eines gegebenen Bereichs aufgrund eines Näherungseffekts Supraleitereigenschaften zu zeigen. Bei geeigneter Wahl der Dicke der Zwischenschicht verhält sich diese als Teil des Supraleiterelements. Da in diesem Falle die Zwischenschicht aus dem normalen Leiter, dessen Kohärenzlänge größer ist als diejenige des Oxidsupraleiters, an das zweite Teil gebunden ist, lassen sich gute Übergangseigenschaften erreichen. Folglich lassen sich die durch die schlechten Übergangseigenschaften des Oxidsupraleiters und einem weiteren Werkstoff verursachten bekannten Schwierigkeiten lösen und unter Verwendung des Oxidsupraleiters Supraleiterelemente hervorragender Kennwerte herstellen.
Darüber hinaus lassen sich dann, wenn die Zwischenschicht aus einem normalen Leiter mit Silber als Hauptbestandteil gebildet wird, die Elementkennwerte noch weiter verbessern. Insbesondere dann, wenn der Supraleiter Luft und dergl. ausgesetzt wird, bildet sich in der Regel in einem Bereich nahe der Oberfläche ein Sauerstoffmangelbereich. Wenn auf dem Oxidsupraleiter die silberhaltige Schicht ausgebildet wird, läßt sich aus der silberhaltigen Schicht dem Sauerstoffmangelbereich Sauerstoff unter Gewährleistung stabiler Supraleitereigenschaften zuführen. Folglich lassen sich die Elementkennwerte weiter verbessern.
Ein Übergang ist definiert als zur Gewährleistung guter Kennwerte bzw. Eigenschaften eines Supraleiterelements erforderlicher Übergang und umfaßt einen Supraleiter/Isolator-Übergang, einen Supraleiter/Halbleiter-Übergang und einen Supraleiter/Metall-Übergang.
Diese Erfindung läßt sich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen besser verstehen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittdarstellung eines charakteristischen Teils eines Supraleiterelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ein Energiediagramm eines Supraleiter/normaler Leiter-Übergangs;
Fig. 3 eine Querschnittdarstellung eines charakteristischen Teils eines Supraleiterelements gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Querschnittdarstellung eines Josephson-Elements, das von der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Strom/Spannung-Kennlinie des in Fig. 4 dargestellten Elements;
Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung durch ein anderes Josephson-Element, das von der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht;
Fig. 7 eine graphische Darstellung einer Strom/Spannung- Kennlinie des in Fig. 6 dargestellten Elements;
Fig. 8 eine Darstellung eines weiteren Josephson-Elements, das von der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht;
Fig. 9 eine graphische Darstellung einer Strom/Spannung- Kennlinie des in Fig. 8 dargestellten Elements;
Fig. 10 eine Querschnittdarstellung eines supraleitenden Transistors, das von der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht;
Fig. 11 eine Querschnittdarstellung eines weiteren Supraleiter-Transistors, der von der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht;
Fig. 12 eine Querschnittdarstellung eines MOS-Kondensators zur Prüfung des Vorhandenseins einer Pufferschicht im Rahmen der vorliegenden Erfindung und
Fig. 13 eine graphische Darstellung der Strom/Spannung-Kennlinie des in Fig. 12 dargestellten MOS-Kondensators.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Fig. 1 ist eine Querschnittsdarstellung eines charakteristischen Teils eines Supraleiterelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist das Supraleiterelement dieser Ausführungsform derart aufgebaut, daß zur Bildung eines Übergangs zum ersten Teil 1 zwischen dem ersten Teil 1 aus einem Oxidsupraleiter und einem zweiten Teil 3 eine Zwischenschicht 2 eingefügt ist. Bei einem typischen Supraleiterelement bestehen erste und zweite Teile 1 und 3 aus Filmen.
Der das erste Teil 1 bildende Oxidsupraleiter besteht aus einem solchen vom Defekt-Perowskit-Typ, z. B. ABa&sub2;Cu&sub2;O7-δ (worin A für ein Seltenerdeelement, wie Y, Yb, Ho, Dy, Eu, Er, Tm oder Lu steht und ö ein Sauerstoffdefizit bezeichnet), einem schichtförmigen Perovskit-Supraleiter vom Sr-La-Cu-O-Typ, einem Bi-Oxid-Supraleiter vom Bi-Sr-Ca-Cu-O-Typ oder einem Tl-Oxid-Supraleiter vom Tl-Sr-Cu-O-Typ. Der Oxidsupraleiter des ersten Teils 1 ist jedoch nicht auf die genannten Werkstoffe beschränkt. Vielmehr kann jeder Oxidsupraleiter verwendet werden, sofern er nur Supraleitereigenschaften aufweist.
Die Zwischenschicht 2 besteht aus einem normalen Leiter. Wenn der Werkstoff und die Dicke der Zwischenschicht 2 in geeigneter Weise gewählt werden, verhält sich die Zwischenschicht 2 aufgrund eines Näherungseffekts ebenfalls als Supraleiter mit großem Supraleiterspalt. Folglich dient die Zwischenschicht 2 als Teil des ersten Teils 1.
Da die Zwischenschicht 2 aus einem normalen Leiter besteht, kann letzterer derart gewählt werden, daß die Kohärenzlänge größer ist als diejenige eines Oxidsupraleiters. Folglich lassen sich gute Übergangseigenschaften zwischen der Zwischenschicht 2 und dem zweiten Teil 3 gewährleisten. In anderen Worten gesagt, können die Kennwerte des einen Oxidsupraleiter benutzenden Supraleiterelements infolge Anwesenheit der Zwischenschicht 2 hervorragend sein. Ferner läßt sich auch die supraleitende Stromdichte beispielsweise eines Josephson-Elements unter weiterer Verbesserung der Kennwerte erhöhen.
Im folgenden wird der Grund dafür, daß ein normaler Supraleiter infolge eines Näherungseffekts Supraleitereigenschaften zeigt, beschrieben. Ein theoretisches Prinzip eines Übergangs zwischen einem Supraleiter und einem normalen Leiter ist aus einem Artikel von P.G. de Gennes in "Reviews of Modern Physics", Jan. 1964, Seiten 225-237, bekannt. Fig. 2 zeigt eine supraleitende Bandstruktur eines Übergangs zwischen dem normalen Leiter und dem Oxidsupraleiter mit niedriger Trägerkonzentration. In Fig. 2 stehen Δ&sub0; für einen supraleitenden Bandabstand des Oxidsupraleiters, für die Kohärenzlänge des Oxidsupraleiters, N für eine Elektronenzustandsdichte des normalen Leiters, n für eine Elektronenzustandsdichte des Oxidsupraleiters, Tj für die Durchlässigkeit für durch eine Übergangsgrenzfläche hindurchtretende Elektronen und N für die Kohärenzlänge des normalen Leiters. Wenn die Elektronenzustandsdichte n des Oxidsupraleiters um das 100-fache niedriger ist als die Elektronenzustandsdichte N des normalen Leiters und die Durchlässigkeit Tj etwa 1 beträgt, ist der supraleitende Abstand Δ&sub0;·N/n·Tj des normalen Leiters größer als der supraleitende Bandabstand des Oxidsupraleiters innerhalb des Bereichs nahe dem theoretischen Prinzip (vgl. Fig. 2). Folglich dient der normale Leiter als Supraleiter im Bereich der Kohärenzlänge N. Als Ergebnis läßt sich der supraleitende Bandabstand des Oxidsupraleiters erhöhen und folglich eine höhere kritische Stromdichte erreichen. In diesem Falle läßt sich die Kohärenzlänge N wie folgt definieren:
N = hVF/kT
worin bedeuten:
h die Planck-Konstante;
VF die Fermi-Geschwindigkeit;
k die Boltzmann-Konstante und
T die absolute Temperatur.
Die Zwischenschicht 2 enthält vorzugsweise Ag als Hauptbestandteil. Insbesondere dann, wenn die Zusammensetzung der Zwischenschicht 2 durch AgOx mit x gleich der Anzahl Sauerstoffatome pro Ag-Atom wiedergegeben wird, liegt x vorzugsweise im Bereich 0 ≤ = x ≤ = 1/2. Wenn der x-Wert gering ist, bilden Ag und Sauerstoff in Ag eine feste Lösung. Die Zwischenschicht 2 kann aus einer einheitlichen AgOx-Schicht bestehen oder zweilagig aufgebaut sein oder aus einem Mischfilm aus Ag und Ag&sub2;O gebildet sein.
Wenn die Zwischenschicht 2 Ag als Hauptbestandteil enthält, wird während der Herstellung des Elements Sauerstoff aus der Ag-haltigen Schicht dem ersten Teil 1 aus einem Oxidsupraleiter zugeführt. Auf diese Weise läßt sich ein Sauerstoffmangelzustand nahe der an das Teil 1 zu bindenden Oberfläche verhindern. Dies führt dazu, daß das erste Teil 1 hervorragende Supraleitereigenschaften aufweist und sich die Elementkennwerte weiter verbessern lassen.
Die Zwischenschicht 2 kann aus einem Normalleiteroxid, wie ReO&sub3;, MxWO&sub2; oder ITO (Indium-Zinnoxid) anstelle von AgOx hergestellt werden. Von diesen Normalleiteroxiden besitzt ReO&sub2; eine Gitterkonstante ähnlich derjenigen eines Oxidsupraleiters der Zusammensetzung YBa&sub2;Cu&sub2;O7-δ. Folglich ist bei Verwendung eines Supraleiters dieser Zusammensetzung zur Herstellung des ersten Teils 1 der Übergang zwischen dem ersten Teil 1 und der Zwischenschicht 2 hervorragend. Darüber hinaus besitzt ReO&sub3; unter den Oxiden die höchste elektrische Leitfähigkeit. Ag kann leicht in die Gitterzwischenräume eingebaut werden. Wenn folglich auf dem Oxidsupraleiter eine Elektrode ausgebildet wird, wird ReO&sub3; zwischen die Ag-Elektrode und den Supraleiter eingefügt, so daß die Übergangseigenschaft der Supraleiter/ReO&sub3;/Ag-Elektrode-Struktur hervorragend wird.
Wenn die Zwischenschicht 2 Ag als Hauptbestandteil enthält, wird vorzugsweise zwischen der Zwischenschicht 2 und dem zweiten Teil 3 entsprechend Fig. 3 eine Au- oder Pt-Pufferschicht 4 ausgebildet. Die Pufferschicht 4 funktioniert in höchst wirksamer Weise als guter Puffer zur Verhinderung einer Diffusion des wanderungsfreudigen Ag. Insbesondere bei einem Element, z. B. einem Supraleiter-Transistor mit einem Übergang zwischen einem Supraleiter und einem Halbleiter wird zwischen der Zwischenschicht 2 und einem aus einem Halbleiter bestehenden zweiten Teil 3 eine Pufferschicht 4 eingefügt. Die Pufferschicht 4 dient als Sperre zur Verhinderung einer Diffusion von im ersten Teil 1 enthaltenen Cu, Ba und dergl. sowie von Ag im Halbleiter-Teil 3 unter Gewährleistung hervorragender Übergangseigenschaften.
Das zweite Teil 3 kann aus einem Isolator, einem Halbleiter oder einem Metall bestehen. Der Werkstoff für das zweite Teil 3 läßt sich unter Berücksichtigung der Funktion des Supraleiterelements beliebig wählen. Ein typisches Beispiel für ein Element mit dem Teil 3 aus einem Isolator ist ein Josephson-Element. Ein typisches Beispiel für ein Element mit einem Teil 3 aus einem Halbleiter ist ein Supraleiter- Transistor. Ein typisches Beispiel für ein Element mit einem Teil 3 aus einem Metall ist ein Gebilde, bei dem auf einem Supraleiter eine Elektrode gebildet ist.
Anhand der Fig. 1 und 3 wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Supraleiter-Elements beschrieben. Zunächst wird auf einem nicht dargestellten Substrat durch Zerstäuben und dergl. ein erstes Teil 1 aus einem Oxidsupraleiter in Form einer Schicht gebildet. Auf dem Teil 1 wird durch Ablagern und dergl. eine Zwischenschicht 2 aus einem normalen Leiter ausgebildet. Wenn die Zwischenschicht 2 Ag als Hauptbestandteil enthält, werden der auf dem Teil 1 gebildete Ag-Film und das Teil 1 (selbst) zur Bildung der Zwischenschicht 2 in einer Sauerstoffatmosphäre vorzugsweise bei 300 bis 350ºC geglüht. Durch dieses Glühen wird im Ag der Zwischenschicht 2 Sauerstoff untergebracht. In diesem Falle ändern sich der Gehalt und die Verteilung des Sauerstoffs in der Zwischenschicht 2 mit den Glühbedingungen. So kann-beispielsweise die gesamte Schicht aus Ag&sub2;O oder lediglich ein Oberflächenteil der Schicht aus Ag&sub2;O bestehen. Ferner kann die Schicht zweilagig aus Ag&sub2;O und Ag ausgebildet sein oder aus einer Mischung aus Ag&sub2;O und Ag bestehen. Dem Sauerstoffmangelbereich des Teils 1 wird Sauerstoff zugeführt. Die gebildete Zwischenschicht 2 enthält nicht häufig Sauerstoff. Auf der Zwischenschicht 2 kann erforderlichenfalls eine Au- oder Pt-Pufferschicht 4 gebildet werden.
Das zweite schichtförmige Teil 3 aus einem Isolator, Halbleiter oder Metall wird auf der Zwischenschicht 2 oder Pufferschicht 4 durch Ablagern und dergl. gebildet. Auf diese Weise läßt sich ein Supraleiterelement mit einem Oxidsupraleiter hervorragender Kennwerte herstellen.
Bei einem einen Isolierfilm auf einem Supraleiter erfordernden Element, z. B. einem Josephson-Element, wird zur Herstellung eines hervorragenden Isolierfilms nach Ausbildung eines Isolierfilms 2 auf dem Teil 1 und eines Metallfilms, z. B. eines Al-Films, auf dem Isolierfilm 2 der Metallfilm oxidiert. Wenn die Zwischenschicht 2 Ag als Hauptbestandteil enthält, werden auf dem Teil 1 ein Ag-Film und auf dem Ag-Film ein Metallfilm, z. B. ein Al-Film, ausgebildet. Danach werden die Filme zur gleichzeitigen Bildung der Zwischenschicht 2 und des als Isolierfilm dienenden Teils 3 oxidiert. In diesem Falle läßt sich unter Erhaltung der ausgezeichneten Eigenschaften des Oxidsupraleiter-Teils 1 ein hervorragender Isolierfilm herstellen.
Im folgenden werden für die Praxis geeignete Elemente beschrieben. Fig. 4 zeigt ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Josephson-Elements. In Fig. 4 bezeichnet die Bezugszahl 11 ein Substrat. Auf dem Substrat 11 ist ein Oxidsupraleiterfilm 12 gebildet. Der Oxidsupraleiterfilm 12 kann aus einem aus den zuvorgenannten verschiedenen Werkstoffen ausgewählten Werkstoff bestehen. Der Werkstoff des Substrats 11 ist keinen besonderen Beschränkungen unterworfen, er wird vielmehr in geeigneter Weise entsprechend dem Werkstoff des Oxidsupraleiterfilms 12 ausgewählt. Auf einem Teil des Oxidsupraleiterfilms 12 ist ein normaler Leiterfilm 13 gebildet. Auf dem Film 13 befindet sich ein Isolierfilm 14. Die Filme 12, 13 und 14 bilden, wie bereits erwähnt, einen charakteristischen Teil der vorliegenden Erfindung.
Auf dem Isolierfilm 14 ist ein Supraleiterfilm 15 ausgebildet. Der Supraleiterfilm 15 kann aus einem beliebigen Werkstoff, z. B. Pb, mit Supraleitereigenschaften bestehen. Auf dem Supraleiterfilm 15 befindet sich eine als Strom- und Spannungsanschlüsse dienende Elektrode 16.
Auf der Oberfläche des Oxidsupraleiterfilms 12 neben dem Film 13 sind eine als Spannungsanschluß dienende Elektrode 17 und eine als Stromanschluß dienende Elektrode 18 vorgesehen.
Im folgenden wird ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Elements erläutert. Zunächst wird ein SrTiO&sub2;-Substrat 11 hergestellt. Durch Mehrfachelementzerstäubung wird auf dem Substrat 11 ein 1 um dicker Oxidsupraleiterfilm 12 der Zusammensetzung YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ (kritische Temperatur Tc = 75 K) ausgebildet. Auf dem Film 12 werden durch Maskenablagerung ein Ag-Film eines Durchmessers von 0,5 mm und zwei als Elektroden 17 und 18 dienende Au-Filme jeweils eines Durchmessers von 0,3 mm gebildet. Jeder Film besitzt eine Dicke von etwa 3000 Å. Danach wird das erhaltene Gebilde 10 h zur teilweisen Oxidation des Ag-Films in einer Sauerstoffatmosphäre bei 350ºC geglüht. Hierbei bildet sich ein normaler Leiterfilm 13 aus einem Gemisch aus Ag und Ag&sub2;O. Auf dem Film 13 wird ein 3000 Å dicker Pb-Film abgelagert. In diesem Fall wird das Pb in einem Bereich einer Grenzfläche zum Film 13 zur Bildung eines isolierenden Films 14 oxidiert. Der restliche Pb-Teil wird ein Form eines Pb-Films als Supraleiterfilm 15 gebildet. Schließlich wird auf dem Film 15 eine Au-Elektrode 16 abgelagert.
Die Kennwerte des erhaltenen Josephson-Elements sind in Fig. 5 dargestellt. Wie aus der graphischen Darstellung gemäß Fig. 5 hervorgeht, wurde ein großer supraleitender Abstand (2Δ = 10 mV) gemessen. Es konnte bestätigt werden, daß ein guter Josephson-Übergang entstanden war. Es wird davon ausgegangen, daß der Film 13 den Oxidsupraleiterfilm 12 schützt. Der Film 13 als solcher wird durch einen Näherungseffekt in einen supraleitenden Zustand gebracht.
Fig. 6 ist eine Querschnittsdarstellung eines zweiten Beispiels eines erfindungsgemäßen Josephson-Elements. Auf einem Substrat 21 aus einem beliebigen Werkstoff werden in der angegebenen Reihenfolge eine Elektrode 22, ein normaler Leiterfilm 23, ein Oxidsupraleiterfilm 24, ein normaler Leiterfilm 25, ein Isolierfilm 26, ein normaler Leiterfilm 27, ein Oxidsupraleiterfilm 28, ein normaler Leiterfilm 29 und eine Elektrode 30 ausgebildet. In diesem Falle ist der normale Leiterfilm 25 zweilagig aus einem normalen Leiteroxidfilm 25a und einem Metallfilm 25b ausgebildet. Der normale Leiterfilm 27 ist (ebenfalls) zweilagig aus einem Metallfilm 27a und einem normalen Leiteroxidfilm 27b ausgebildet. Die normalen Leiterfilme 25 bzw. 27 neben den Oxidsupraleiterfilmen 24 bzw. 28 dienen infolge Näherungseffekts unter Bildung eines Josephson-Übergangs als Supraleiter.
Im folgenden wird ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des genannten Elements in allen Einzelheiten erläutert. Durch Zerstäubung wird als Oxidsupraleiterfilm 24 ein 5000 Å dicker YBa&sub2;Cu&sub2;O7-δ-Film gebildet. Als Werkstoff für die normalen Leiterfilme 22 und 29 diente ReO&sub3;. Diese Filme, die jeweils eine Dicke von 2000 Å aufwiesen, wurden durch Ablagern hergestellt. Ein zweilagiger normaler Leiterfilm 25 wurde derart gebildet, daß auf dem Film 24 ein ReO&sub3;-Film 25a einer Dicke von 1000 Å und auf letzterem ein Al-Film 25b einer Dicke von 300 Å abgelagert wurden. Die Oberfläche des Al-Films 25b wurde zur Bildung eines 30 Å dicken Al&sub2;O-Isolierfilms 26 thermisch oder anodisch oxidiert. Der normale Leiterfilm 27 wurde derart gebildet, daß auf dem isolierenden Film 26 ein Al-Film 27a ähnlich dem Film 25b und auf diesem ein ReO&sub3;-Film 27b entsprechend dem Film 25b gebildet wurden. Auf dem Film 27b wurde in entsprechender Weise wie beim Film 24 ein YBa&sub2;Cu&sub2;O7-δ Film 28 gebildet. Ag wurde zur Herstellung der Elektroden 22 und 30 verwendet.
Die Kennwerte des erhaltenen Josephson-Elements sind in Fig. 7 dargestellt.
Aus dem beschriebenen Beispiel geht hervor, daß der Oxidfilm aus Aluminium, das ein normalleitendes Metall darstellt, als den Josephson-Übergang bildender Isolierfilm verwendet wird.
Auf diese Weise läßt sich ein hervorragender Josephson- Übergang gewährleisten. Der supraleitende Bandabstand des Oxidsupraleiterfilms läßt sich infolge Anwesenheit von ReO&sub2;- und Al-Filmen unter Erhalt einer hohen kritischen Stromdichte erhöhen. In diesem Falle ist die kritische Temperatur des Oxidsupraleiterfilms hoch, so daß das Josephson-Element mittels eines einfachen Kühlgeräts betrieben werden kann.
Die Fig. 8 zeigt in einer Querschnittdarstellung ein drittes Beispiel eines erfindungsgemäßen Josephson-Elements. Da das Josephson-Element gemäß Fig. 6 zwei Anschlüsse aufweist, ist sein Anwendungsbereich in unerwünschter Weise beschränkt. Entsprechend Fig. 8 wird ein drei Anschlüsse aufweisendes Josephson-Element vorgeschlagen, bei welchem einer der beiden Oxidsupraleiterfilme über den Näherungseffekt zur Steuerung der Stromkennwerte des Elements gesteuert wird. Auf einem Halbleitersubstrat 31 sind in der angegebenen Reihenfolge ein Metallfilm 32 und ein normaler Leiterfilm 33 abgelagert. Auf dem Film 33 befindet sich ein erster Oxidsupraleiterfilm 34. Zwischen dem Substrat 31 und dem Metallfilm 32 ist eine Schottky-Sperre gebildet. In nicht-vorgespanntem Zustand wird im Substrat 31 eine Sperrschicht 45 gebildet. Das Substrat 31 ist gegen den Metallfilm 32 elektrisch isoliert. Auf dem Film 34 befindet sich ein normaler Leiteroxidfilm 35. Auf letzterem sind in der angegebenen Reihenfolge ein Metallfilm 36, ein Isolierfilm 37, ein Metallfilm 38, ein normaler Leiteroxidfilm 39, ein Oxidsupraleiterfilm 40, ein normaler Leiterfilm 41 und eine Elektrode 42 ausgebildet. Die Filme 35 und 36 bzw. 38 und 39 bilden jeweils einen normalen Leiter zweilagiger Struktur. Die Elektrode 43 ist derart auf dem Substrat 31 abgelagert, daß sie nahe dem Film 32 zu liegen kommt. Die Elektroden 42 und 44 stellen Hauptelektroden dar, die Elektrode 43 ist eine Steuerelektrode.
Da sich in einem solchen Element die Filme 35, 36, 38 und 39 infolge Näherungseffekts in gleicher Weise als Supraleiter verhalten, bilden die Schichten vom Oxidsupraleiterfilm 34 zum Oxidsupraleiterfilm 40 einen Josephson-Übergang. Wird die Vorspannung zwischen Substrat 31 und Oxidsupraleiterfilm 34 geändert, läßt sich der Phasenübergang zwischen Supraleiter und normalem Leiter des Films 34 über den Näherungseffekt zwischen dem Substrat 31 und dem Oxidsupraleiterfilm 34 steuern. Insbesondere dann, wenn die Steuerspannung zwischen der Steuerelektrode 43 und der Hauptelektrode 44 Null ist, ist der Oxidsupraleiterfilm 34 vom Substrat 31 durch die Sperrschicht 45 elektrisch isoliert. Zwischen den Oxidsupraleiterfilmen 34 und 40 entstand ein Josephson-Übergang. Wird an die Steuerelektrode 43 eine vorgegebene negative Spannung angelegt, verringert sich die Breite der Sperrschicht 45 unter Erhöhung der Wechselwirkung zwischen dem Oxidsupraleiterfilm 34 und dem Substrat 31. Der Oxidsupraleiterfilm 34 erfährt einen Phasenübergang zu einem normalen Leiter. Als Ergebnis verschwindet der Josephson-Übergang unter (gleichzeitigem) Erscheinen einer Widerstandskomponente in der Strom/Spannung-Kennlinie.
Im folgenden wird ein Beispiel für das genannte Element detailliert beschrieben. Zur Bildung der Oxidsupraleiterfilme 34 und 40 diente YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ. ReO&sub3; wurde zur Bildung der Filme 33, 35, 39 und 41 verwendet. Zur Bildung des Films 32 wurde Silber benutzt. Al diente zur Herstellung der Filme 36 und 37. Zur Bildung des Films 37 wurde Al&sub2;O benutzt. Die Elektroden 42, 43 und 44 wurden aus Ag hergestellt. Die Dicke der einzelnen Filme entsprach derjenigen des zwei Anschlüsse aufweisenden Josephson-Elements. Das drei Anschlüsse aufweisende Josephson-Element wurde in entsprechender Weise wie das zwei Anschlüsse aufweisende Josephson-Element hergestellt.
Die Kennwerte des erhaltenen Josephson-Elements sind in Fig. 9 dargestellt. Wenn der Injektionsstrom Null ist, fließt zwischen den Elektroden 42 und 44 bei gegebenem Strom oder weniger ein Supraleitstrom. Wenn jedoch der Injektionsstrom auf 1 mA erhöht wird, hat es sich gezeigt, daß der Strom praktisch proportional zur Spannung ist. Man erhält - in anderen Worten gesagt - somit ein drei Anschlüsse aufweisendes Josephson-Element. In diesem Falle lassen sich die Übergangseigenschaften zwischen dem Oxidsupraleiterfilm, dem normalen Leiterfilm und dem Isolierfilm ebenso verbessern wie bei dem zwei Anschlüsse aufweisenden Josephson-Element von Fig. 6. Gleichzeitig erreicht man eine hohe Stromdichte. Da ferner zwischen dem Oxidsupraleiter und der Metallelektrode ein ReO&sub3;-Film vorgesehen ist, lassen sich die schlechten Übergangseigenschaften zwischen dem Oxidsupraleiter und dem Metall beseitigen. Folglich erreicht man einen geringen Kontaktwiderstand zwischen dem Oxidsupraleiter und dem Metall.
Fig. 10 ist eine Querschnittdarstellung eines Beispiels eines Supraleiter-Transistors gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieser Transistor besitzt Supraleiter-Elektroden als Source- und Drain-Elektroden. Der Transistor umfaßt ein Halbleitersubstrat 51, Source- und Drain-Elektroden 52a und 52b auf einer Hauptseite des Substrats 51, einen Gate-Oxidfilm 56 in einem Gate-Bereich zwischen den Elektroden 52a und 52b sowie eine auf dem Gate-Oxidfilm 56 gebildete Gate-Elektrode 57. Die Elektrode 52a ist derart ausgebildet, daß (in der angegebenen Reihenfolge) ein normaler Leiterfilm 53a, ein Oxidsupraleiterfilm 54a und ein normaler Leiterfilm 55a aufeinanderliegen. Die Elektrode 52b ist derart gebildet, daß (in der angegebenen Reihenfolge) ein normaler Leiterfilm 53b, ein Oxidsupraleiterfilm 54b und ein normaler Leiterfilm 55b aufeinanderliegen.
Bei diesem Element werden zwischen dem Halbleitersubstrat 51 und Oxidsupraleiterfilmen 54a und 55b eingefügte normale Leiterfilme 53a und 53b infolge Näherungseffekts in supraleitendem Zustand gehalten. Folglich kann praktisch ohne Wärmeerzeugung ein Durchschaltstrom fließen. Die Übergangseigenschaften zwischen dem Halbleitersubstrat 51 und den normalen Leiterfilmen 53a und 53b lassen sich verbessern. Folglich erhält man hervorragende Transistor-Kennwerte.
Wenn zur Bildung der normalen Leiterfilme 53a und 53b AgOx verwendet wird, läßt sich ein Sauerstoffdefizit der Oxidsupraleiterfilme 54a und 54b durch die Filme 53a und 53b kompensieren, so daß sich die Supraleitereigenschaften der Filme 54a und 54b verbessern lassen.
In der Praxis diente Si zur Herstellung des Substrats 51. YBa&sub2;Cu&sub2;O7-δ wurde zur Herstellung der Oxidsupraleiterfilme 54a und 54b verwendet. AgOx diente zur Herstellung der normalen Leiterfilme 53a und 53b. Ag wurde zur Herstellung der normalen Leiterfilme 55a und 55b verwendet. SiO&sub2; diente zur Herstellung des Gate-Oxidfilms 56. Die Gate-Elektrode 57 bestand aus Ag. Auf diese Weise konnte ein Supraleiter- Transistor hervorragender Kennwerte hergestellt werden.
Die Fig. 11 zeigt eine Modifikation des in Fig. 10 dargestellten Supraleiter-Transistors. Der Transistor in Fig. 11 besitzt im wesentlichen dieselbe Bauweise wie derjenige gemäß Fig. 10. AgOx dient zur Herstellung der normalen Leiterfilme 53a und 53b. Zwischen dem Substrat 51 und den Filmen 53a und 53b sind Au-Filme 58a und 58b eingefügt. Insbesondere werden durch Hinzufügung von Au-Filmen 58a und 58b zu den Source- und Drain-Elektroden 52a und 52b gemäß Fig. 10 Source- und Drain-Elektroden 62a und 62b gebildet.
Bei diesem Element verhindern die Au-Filme 58a und 58b eine Diffusion von Ag aus den AgOx-Filmen 53a und 53b in das Substrat 51. Sind in den Oxidsupraleiterfilmen 54a und 54b Cu, Ba und dergl. enthalten, werden diese Metallelemente ebenfalls an einer Diffusion in das Substrat 51 gehindert. Folglich läßt sich eine Beeinträchtigung der Eigenschaften des Substrats und der Supraleiterfilme verhindern. Man erreicht auf diese Weise in hohem Maße zuverlässige Transistor-Kennwerte.
In der Praxis diente Si zur Herstellung des Substrats 51. YBa&sub2;Cu&sub2;O7-δ diente zur Herstellung der Oxidsupraleiterfilme 54a und 54b. AgOx wurde zur Herstellung der normalen Leiterfilme 53a und 53b verwendet. Ag diente zur Herstellung der normalen Leiterfilme 55a und 55b. Der Gate-Oxidfilm 56 wurde unter Verwendung von SiO&sub2; hergestellt. Ag diente zur Herstellung der Gate-Elektrode 57. Zwischen Substrat 51 und den AgOx-Filmen 53a und 53b wurden Au-Filme eingefügt, wobei letztendlich ein Supraleiter-Transistor hervorragender Transistor-Kennwerte erhalten wurde.
Im folgenden wird über ein bestätigendes Ergebnis der Funktion des Au-Films als Pufferschicht (vgl. Fig. 11) berichtet. Fig. 12 ist eine Querschnittdarstellung eines MOS-Kondensators zur Bestätigung der Funktion des Au-Films. Wie aus Fig. 12 hervorgeht, waren auf einem Si-Substrat 71 in der angegebenen Reihenfolge ein SiO&sub2;-Film 72, Au-Film 73, Ag- Film 74 und YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Film 75 aufgetragen. In diesem Falle besaßen der Film 72 eine Dicke von 500 Å, jeder der Filme 73 und 73 * eine Dicke von 1000 Å und der Film 75 eine Dicke von 1 um. Auf der Oberfläche des Films 75 war eine Elektrode 76 gebildet. Auf der Oberfläche des Substrats 71 befand sich eine Elektrode 77. Anschließend wurde das erhaltene Element zur Herstellung eines MOS-Kondensators 5 h lang in einer Sauerstoffatmosphäre bei 300 bis 350ºC geglüht.
* Fußnote (wahrscheinlich 74)
Die Strom/Spannung-Kennwerte des erhaltenen MOS-Kondensators wurden nach der Verschiebungsstrommethode mit einer 0,1 Hz-Sägezahnwelle gemessen. Hierbei wurde die in Fig. 13 dargestellte Strom/Spannung-Kennlinie erhalten. Diese Strom/Spannung-Kennwerte stimmten mit den Strom/Spannung-Kennwerten vor dem Glühen innerhalb eines Meßfehlerbereichs überein. Wurde kein Au-Film vorgesehen, war nach dem Glühen ein großer Kriechstrom nachweisbar. Es zeigte sich, daß die entsprechenden Strom/Spannung-Kennwerte von idealen Strom/ Spannung-Kennwerten abwichen. Offensichtlich dient also der Au-Film in wirksamer Weise als Pufferfilm.
Bei den beschriebenen Elementen wurde YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ als Oxidsupraleiter verwendet. Anstelle von YBa&sub2;Cu&sub2;O7-δ können jedoch auch andere Oxidsupraleiter verwendet werden. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beispielhaft erläuterten Elemente beschränkt, sie kann vielmehr bei sämtlichen Elementen mit einem Supraleiter ausgenutzt werden. Von der vorliegenden Erfindung kann neben einem aktiven Element auch bei einer Supraleiterverdrahtung Gebrauch gemacht werden.

Claims

1. Supraleiterelement, umfassend:

ein erstes Teil (1) aus einem Oxidsupraleiter;

ein zweites Teil (3) zur Bildung eines Übergangs mit dem ersten Teil (1) und

eine Zwischenschicht (2) zwischen erstem und zweitem Teil (1, 3) aus einem Normalleiter, wobei die Zwischenschicht mit dem ersten Teil (1) in Kontakt steht und die Zwischenschicht (2) einen aus einem Oxid bestehenden Normalleiter enthält.

2. Element nach Anspruch 1, welches weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zwischenschicht (2) ReO umfaßt.

3. Element nach Anspruch 1, welches weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß das erste Teil (1) ABa&sub2;Cu&sub3;O7-δ mit A gleich zumindest einem Element, ausgewählt aus der Gruppe Y, Yb, Ho, Dy, Eu, Er, Tm und Lu, und ö gleich einem Sauerstoffdefizit umfaßt.

4. Element nach Anspruch 1, welches weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß das zweite Teil (3) aus einem Werkstoff, ausgewählt aus der Gruppe ein Isolator, ein Halbleiter und ein Metall, gebildet ist.

5. Element nach Anspruch 1, welches weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zwischenschicht (2) die Zusammensetzung AgOx mit 0 < x < 1/2 aufweist.

6. Element nach Anspruch 7, welches weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zwischenschicht (2) Ag&sub2;O und Ag umfaßt.

7. Element nach Anspruch 5, welches weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen der Zwischenschicht (2) und dem zweiten Teil (3) ein Au- oder Pt-Pufferfilm (4) eingefügt ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Supraleiterelements durch

Ausbilden einer silberhaltigen Schicht auf einem ersten Teil (1) aus einem Oxidsupraleiter;

Erwärmen des ersten Teils (1) mit der silberhaltigen Schicht in einer Sauerstoffatmosphäre zur Oxidation der silberhaltigen Schicht unter Bildung einer Zwischenschicht (2) und

Ausbilden eines zweiten Teils (3) auf der Zwischenschicht (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (2) die Zusammensetzung AgOx mit 0 < x < 1/2 aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, welches weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zwischenschicht (2) Ag&sub2;O und Ag umfaßt.