DE4212028C2 - Korngrenzen-Josephsonelement mit metalloxidischem Hochtemperatursupraleiter-Material, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung des Elementes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Korngrenzen-Josephson­ element mit metalloxidischem Hochtemperatursupraleiter- (HTS)-Material gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein dertiges Josephsonelement geht aus der JP-Veröffentlichung "Jap. Journ. Appl. Phys.", Vol. 30, No. 4A, Apr. 1991, Seiten L587 bis L589 hervor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Josephsonelementes sowie dessen Verwendung.

Supraleitende Metalloxidverbindungen mit hohen Sprungtem­ peraturen T_c von insbesondere über 77 K, die deshalb mit flüssigem Stickstoff (LN₂) gekühlt werden können, sind allgemein bekannt. Entsprechende Metalloxidverbindungen, bei denen es sich insbesondere um Cuprate handelt, basie­ ren beispielsweise auf einem Stoffsystem des Typs Me1-Me2-Cu-O, wobei die Komponenten Me1 ein Seltenes Erd­ metall einschließlich Y und Me2 ein Erdalkalimetall zumin­ dest enthalten. Hauptvertreter dieser Gruppe ist das vier­ komponentige Stoffsystem Y-Ba-Cu-O. Daneben weisen auch Phasen von fünf- oder höherkomponentigen Cupraten wie z. B. auf Basis des Stoffsystems Bi-Sr-Ca-Cu-O oder Tl-Ba-Ca-Cu-O ebenfalls Sprungtemperaturen über 77 K auf.

Es ist gelungen, mittels spezieller PVD- oder CVD-Prozesse dünne Schichten aus diesen HTS-Materialien herzustellen, die eine hohe kritische Stromdichte ermöglichen. Man ist deshalb auch bestrebt, mit solchen Schichten sogenannte Josephson-Elemente bzw. -Kontakte auszubilden, wie sie ge­ nerell von den konventionellen metallischen Supraleiterma­ terialien, die mit flüssigem Helium (LHe) gekühlt werden, bekannt sind. Hierbei tritt jedoch im Gegensatz zu den konventionellen metallischen Supraleitermaterialien die Problematik auf, daß die bekannten metalloxidischen HTS- Materialien nur eine kurze Kohärenzlänge und eine starke Anisotropie aufweisen.

Unter Berücksichtigung dieser Problematik wird ein Weg zu einer Ausbildung von Josephsonelementen in einer gezielten Ausnutzung von Korngrenzen zwischen benachbarten HTS-Kri­ stallbereichen gesehen. Hierbei wird von der Beobachtung ausgegangen, daß im HTS-Material Korngrenzen häufig den bekannten Josephson-Effekt zeigen. Man hat deshalb ver­ sucht, durch einen gezielten Einbau von Kristallfehlern in ein Substrat, z. B. durch Einbau eines Bikristalles mit Zwillingsgrenzen in die Gitterstruktur des Substrates, an diesen Fehlerstellen Korngrenzen in einer darauf abge­ schiedenen HTS-Schicht zu erzeugen (vgl. z. B. "Phys. Rev. B", Vol. 41, Nr. 7, März 1990, Seiten 4038 bis 4049).

Bei dem aus der EP 03 64 101 A2 zu entnehmenden Josephson­ element wird die Tatsache ausgenutzt, daß Dünnfilme aus metalloxidischem HTS-Material mit einer senkrechten Aus­ richtung der c-Kristallachsen bezüglich der Filmebene über eine hinreichend flache Unebenheit einer Substratoberflä­ che störungsfrei hinwegwachsen können, jedoch bei einem Übergang an steilere Flanken dort Korngrenzen ausbilden. Dementsprechend wird auf einem ebenen Substrat in einem Bereich, wo ein Josephsonelement entstehen soll, ein den Kristallaufbau des Substrates störendes Material in Form einer gratartigen Erhebung abgeschieden. Wenn nun auf ei­ nem derartigen Aufbau epitakisch ein HTS-Dünnfilm auf­ wächst, so wird in diesem Film in dem Scheitelbereich der gratartigen Erhebung eine Störung der Kristallstruktur in Form einer Korngrenze eingebaut, die wegen ihrer "Weak- Link"-Eigenschaften einen Josephson-Kontakt darstellt. Ein solcher Kontakt bildet die Basis eines sogenannten Korn­ grenzen-Josephsonelementes.

Eine weitere Möglichkeit zu einer Ausbildung eines Korn­ grenzen-Josephsonelementes wird gemäß der genannten EP-A darin gesehen, daß man in das Substrat eine leicht abge­ winkelte bzw. abgeschrägte Flanke einarbeitet. Wenn dann ein über die Kante zwischen dem nicht-abgeschrägten Teil der Substratoberfläche und der abgeschrägten Kante verlau­ fender HTS-Film abgeschieden wird, so beobachtet man an dieser Kante eine eine Korngrenze bildende Störung der Kristallorientierung des Films. Gemäß der EP-A soll die abgeschrägte Flanke jedoch durch ein entsprechendes Ab­ schleifen des Substrates ausgebildet werden. Ein solches Verfahren ist sehr aufwendig und ermöglicht kaum die Her­ stellung von ganzen Arrays entsprechender Josephsonelemen­ te.

Ferner ist es aus der eingangs genannten Literaturstelle aus "Jap. Journ. Appl. Phys." bekannt, zwei Korngrenzen- Josephsonelemente eines DC-SQUIDs mit einem epitaktischen HTS-Filmstreifen an einem stufenartigen Übergang zwischen zwei Ebenen einer epitaxiefähigen Unterlage auszubilden. Der zwischen der Oberkante der Stufe und deren Unterkante verlaufende Übergangsbereich der Unterlage stellt dabei eine abgeschrägte Flanke dar, deren Fläche mit der oberen Ebene einen vorbestimmten spitzen Winkel (< 90°) einschließt. Auf diese Weise werden in dem über diese Stufe verlaufenden HTS-Filmstreifen jeweils zwei Korngrenzen ausgebildet, nämlich an der Oberkante der Stufe und an deren Unterkante. Es ergibt sich so jeweils eine Serienschaltung von zwei Josephsonkontakten. Dies ist jedoch insbesondere für eine Ausbildung von SQUIDs nachteilig. An der unteren Korngrenze lassen sich nämlich Fehler durch Ätzreste und Verunreinigungen, die bei einem Einarbeiten der Stufe in die epitaxiefähige Unterlage insbesondere mittels eines Ätzschrittes entstehen, nicht leicht vermeiden. Die Ausbeute bei der Herstellung entsprechender Josephsonelemente und deren Zuverlässigkeit sind dementsprechend beeinträchtigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Josephson­ element mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß die genannten Probleme des Standes der Technik zumindest verringert sind. Insbesondere soll das Josephsonelement verhältnismäßig leicht mit reproduzierba­ ren elektrischen Eigenschaften herzustellen sein. Auch sollen sich mit entsprechenden Elementen ganze Arrays oder elektrische Anordnungen wie SQUIDs auf einfache Weise aus­ bilden lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die mit dieser Ausgestaltung des Josephsonelementes verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß lediglich jene Korngrenze als Josephsonkontakt genutzt wird, die sich an der Oberkante der Stufe durch epitaktisches Wachstum bildet. Die in mindestens einer über die Stufenkante hinwegführenden streifenförmigen Leiterbahn (Leiterstreifen) ausgebildete Korngrenze ist nämlich aufgrund der erfindungsgemäß breiten Ausgestaltung der Leiterstücke dieser Leiterbahn so weit verbreitert, daß praktisch keine wesentliche Einschränkung der Stromtragfähigkeit, wie dies sonst bei Josepsonkontakten der Fall ist, auftritt. Das heißt, bei dem Josephsonelement nach der Erfindung wirkt die Korngrenze an de Stufenunterkante quasi als ein supraleitender Kurzschluß. Die Folge davon sind vorteilhaft große Toleranzen hinsichtlich der Tiefe der Stufe, der Qualität der Unterlage auf der unteren Etage der Stufe, hinsichtlich von Defekten an der unteren Korngrenze und hinsichtlich der Justage einer Maske relativ zur Stufe, mit welcher Maske der Geometrie der Leiterstücke auf der Flanke und der unteren Etage der Stufe festzulegen ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Josephsonelements nach der Erfindung gehen aus den zugeordneten Unteransprüchen hervor.

Zur Herstellung eines entsprechenden Josephsonelementes ist ein Verfahren besonders geeignet, bei dem die Strukturierung des oberen Leiterstückes mittels eines Strahles erfolgt, der unter einem Winkel auf die Ebene des Leiter­ stückes trifft, der höchstens so groß wie der Neigungswin­ kel der Flanke gegenüber dieser Ebene ist. Insbesondere kann aus einem HTS-Film in einem Ätzprozeß mittels eines Ionenstrahls das Leiterstück strukturiert werden. Bei ei­ nem solchen gerichteten Ionenätzen verbleibt unbeeinträch­ tigt der auf der abgeschrägten Flanke befindliche Teil des HTS-Films. Auf diese Weise läßt sich vorteilhaft ein Ätzen in einem sehr viel gröberen Maßstab durchführen, als es üblicherweise zur Ausbildung von Josephsonkontakten erfor­ derlich ist.

Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung von mindestens einem Josephsonelement nach der Erfindung zum Aufbau eines SQUIDs, dessen SQUID-Schleife einen Schlitz aufweist, der auf der Flanke geschlossen ist. Auf diese Weise wird in dem den Schlitz schließenden Teil der SQUID-Schleife eine Ausbildung von Korngrenzen vermieden. Die Verwendung von Korngrenzen-Josephsonelementen in SQUIDs ist prinzipiell aus der eingangs genannten Literaturstelle aus "Jap. Journ. Appl. Phys." oder aus "Appl. Phys. Lett.", Vol. 57, No. 7, Aug. 1990, Seiten 727 bis 729 bekannt.

Zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung wird nachfolgend auf die schematischen Zeichnungen Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Josephsonelement nach der Erfindung veran­ schaulicht ist. In Fig. 2 ist ein Verfahrensschritt zur Herstellung eines solchen Josephsonelementes angedeutet.

Fig. 3 zeigt ein SQUID mit zwei erfindungsgemäßen Joseph­ sonelementen. In Fig. 4 ist eine alternative Anschlußmög­ lichkeit für ein solches SQUID dargestellt. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Das in Fig. 1 gezeigte, allgemein mit 2 bezeichnete Jo­ sephsonelement weist einen Dünnfilm-Aufbau aus bekannten supraleitenden Materialien mit hoher Sprungtemperatur T_c von über 77 K auf. Die Zusammensetzung ent­ sprechender HTS-Materialien basiert dabei auf einem me­ tallische Komponenten und Sauerstoff enthaltenden Stoff­ system. Als Ausführungsbeispiel sei aus dem speziellen Stoffsystem Y-Ba-Cu-O das HTS-Material YBa₂Cu₃O_7-x (mit 0,5<x<1) ausgewählt. Das Material des erfindungsgemä­ ßen Josephsonelementes ist jedoch nicht auf dieses spe­ zielle Stoffsystem beschränkt; d. h., es sind ebensogut auch andere mehrkomponentige oxidkeramische HTS-Supralei­ termaterialien geeignet, welche diesem speziellen Stoff­ system nicht zuzurechnen sind und zumindest teilweise an­ dere und/oder zusätzliche metallische Komponenten und Sauerstoff enthalten.

Das Josephsonelement 2 weist einen dünnen, allgemein mit 3 bezeichneten Leiterstreifen aus dem ausgewählten HTS-Mate­ rial auf. Dieser Leiterstreifen 3 ist epitaktisch auf ei­ ner in besonderer Weise gestuften Unterlage 4 abgeschieden und soll eine hohe kritische Stromtragfähigkeit (Strom­ dichte) in der Größenordnung von mindestens 10⁴ A/cm² in der Nähe der Sprungtemperatur T_c seines HTS-Materials ge­ währleisten. Die Dicke D des Leiterstreifens 3 liegt in der Größenordnung zwischen 1 nm und 500 nm.

Die Unterlage 4 ist durch ein an sich be­ kanntes Substrat gebildet, auf dem das HTS-Material nach bekannten Verfahren epitaktisch aufwachsen kann. Ent­ sprechende Substratmaterialien, deren jeweilige kristalli­ ne Einheitszelle vorteilhaft an die entsprechenden Abmes­ sungen der Einheitszelle des verwendeten HTS-Materials an­ gepaßte Maße hat, sind z. B. SrTiO₃, BaTiO₃, LaAlO₃, NdAlO₃, NdGaO₃, MgO, MgAl₂O₄ oder Y-stabilisiertes ZrO₂. Auch ist als Substrat Si, das zudem noch dotiert oder als Si-Verbindung vorliegen kann, geeignet, wenn es im allge­ meinen mit einer diffusionshemmenden Zwischenschicht, ei­ ner sogenannten "Bufferlayer", abgedeckt ist. Für das Aus­ führungsbeispiel sei im folgenden ein SrTiO₃-Substrat als Unterlage ausgewählt.

Da das Substrat 4 stufenförmig ausgebildet sein soll, ist seine mit dem erfindungsgemäßen Aufbau zu versehende Ober­ fläche in zwei in verschiedenen parallelen Ebenen E1 und E2 liegende Oberflächenteile 5 und 6 unterteilt. Die ge­ genseitige Entfernung der beiden Ebenen E1 und E2 ist mit e bezeichnet. Sie liegt im allgemeinen in der Größenord­ nung von 100 nm. Die Oberflächenteile 5 und 6 bilden zwi­ schen sich eine gemeinsame Stufe 7. Diese in das Substrat 4 z. B. eingeätzte Stufe weist zwischen einer Oberkante 9 und einer Unterkante 10 eine schräg verlaufende Flanke 11 auf. Das heißt, die Normale N1 auf der Ebene E1 (oder E2) soll dabei mit der Normalen N2 auf dieser Flanke einen vorbestimmten, spitzen Winkel α (< 90°) einschließen. Über diese Stufe 7 hinweg soll sich das Josephsonelement 2 er­ strecken. Deshalb ist sein Leiterstreifen 3 in zwei durch die Stufe getrennte Leiterstücke 3a und 3b, welche in den beiden Ebenen E1 und E2 liegen, sowie in ein Leiterstück 3c auf der Flanke 11 unterteilt. Der Leiterstreifen soll dabei eine vorbestimmte Breite b1 quer zur Stromführungs­ richtung durch das Josephsonelement 2 haben.

Die Breite der Josephsonbarriere des erfindungsgemäßen Elementes 2 ist definiert durch die Breite b1 des oberen steg- oder streifenförmigen Leiterstückes 3a, das in der Ebene E1 liegt und bis an die Oberkante 9 führt. Diese Breite b1 sollte die von der Stromdichte des Elementes ab­ hängige Josephsoneindringtiefe unterschreiten und liegt deshalb im allgemeinen in der Größenordnung von 1 µm. Die Höhe der Josephsonbarriere des Elementes ist entsprechend durch die Dicke D des Leiterstreifens 3 im Bereich der Oberkante gegeben. Der sich über die Oberkante 9 hinweg erstreckende Leiterstreifen 3 bildet dort in an sich be­ kannter Weise (vgl. die genannte EP-A) eine Korngrenze, deren elektrische Eigenschaften auch durch die Größe des Neigungswinkels α der Flanke 11 bezüglich der Ebene E1 bestimmt werden. Dabei werden Winkel von über 30°, vor­ zugsweise über 45° und insbesondere über 60° im Hinblick auf eine Ausbildung von geeigneten Körnern als günstig angesehen. Erfindungsgemäß wird nun die Wirksamkeit der entsprechend an der Stufenunterkante 10 in dem Leiter­ streifen 3 gebildeten Korngrenze dadurch unterdrückt, daß man diese auf wesentlich größerer Breite überbrückt. Hier­ zu ist nicht nur die Breite B des auf der Flanke 11 be­ findlichen (mittleren) Leiterstückes 3c wesentlich größer als die Breite b1 gewählt, sondern an dieses mittlere Lei­ terstück grenzt an der Stufenunterkante 10 ein weiteres (unteres) Leiterstück 13b, dessen Breite b2 ebenfalls we­ sentlich größer als die des oberen Leiterstückes 3a ist.

Das Leiterstück 13b ist dabei Teil eines entsprechend breiten Leiterstreifens 13. Dieser Leiterstreifen er­ streckt sich aus Gründen einer vereinfachten Lithographie nicht nur über die Stufenunterkante 10, sondern über die gesamte Stufe 7 parallel zu dem Leiterstreifen 3 und ist mit diesem über das mittlere, auf der Flanke 11 entspre­ chend breit ausgebildete Leiterstück 3c verbunden. Somit enthält der Leiterstreifen 13 auch ein oberes, in der oberen Ebene E1 liegendes Leiterstück 13a der Breite b2. Um den gewünschten supraleitenden Kurzschluß an der Stu­ fenunterkante 10 zu gewährleisten, müssen also die Breiten b2 des Leiterstückes 13b sowie B des Leiterstückes 3c je­ weils um ein Mehrfaches, vorzugsweise um mindestens das Dreifache breiter sein als die Breite b1 des oberen Leiter­ stückes 3a. Dabei ist die Breite B mindestens um die Brei­ te b1 größer als die Breite b2.

Die unterschiedlichen Breiten der stegartigen Leiterstücke 3a, 3b und 13a, 13b gegenüber der Breite B des mittleren Leiterstückes 3c können vorteilhaft durch ein gerichtetes Belichten bzw. durch ein gerichtetes Ätzen erreicht wer­ den, bei dem die HTS-Schicht an der Flanke 11 verbleibt. Ein entsprechendes Verfahren ist in dem in Fig. 2 gezeig­ ten Schnitt angedeutet. Ein sich über die Stufe 7 des Sub­ strates 4 erstreckender HTS- Film 15 ist mit einem für photolithographische Verfahren üblichen Lack 16 abgedeckt. Um aus diesem Lack eine Ätzmaske für die auf dem oberen Oberflächenteil 5 des Substrates 4 befindlichen Teile 15a des HTS-Films zu strukturieren, wird der Lack mit einem Lichtstrahl belichtet, der auf den Lack vorteilhaft unter dem Winkel α der Schräge der Flanke 11 oder unter einem etwas kleineren Winkel trifft. Auf diese Weise wird ein Belichten der Flanke vermieden. Der von der so entstande­ nen Ätzmaske nicht abgedeckte Teil des HTS-Films wird an­ schließend in bekannter Weise einer Ätzbehandlung unterzo­ gen. Ferner kann man vorteilhaft auch den HTS-Film 15 un­ mittelbar im Bereich des oberen Oberflächenteils 5 struk­ turieren, indem man einen Ionenstrahl 17 unter dem Win­ kel α auf die zu ätzenden Teile 15a des Filmes richtet. Der auf der Flanke 11 befindliche Teil 15b des HTS-Films bleibt dabei quasi im Schatten des Ätzstrahles 17 und be­ hält somit seine volle Breite.

Zur Strukturierung des HTS-Films gemäß Fig. 2 lassen sich selbstverständlich auch andere bekannte Verfahren ein­ setzen. Besonders geeignet ist ein Verfahren, das aus der Veröffentlichung "Appl. Phys. Lett.", Vol. 55, No. 9, 28.08.1989, Seiten 896 bis 898 oder Vol. 57, No. 23, 03.12.1990, Seiten 2504 bis 2506 zu entnehmen ist. Demge­ mäß wird ein das ein geordnetes Wachstum des HTS-Materials verhinderndes Hilfsmaterial an den Stellen auf dem Sub­ strat 4 quasi als eine Strukturierungsmaske aufgebracht, wo kein Bereich mit den geforderten supraleitenden Eigen­ schaften erwünscht ist. Durch Diffusionsprozesse zwischen dem vorbestimmten Hilfsmaterial und dem HTS-Material kann nämlich bei der Abscheidung des Films 15 die Entstehung einer elektrisch leitfähigen Phase und insbesondere die für gute supraleitende Eigenschaften erforderliche Kri­ stallorientierung in dem Film 15 unterdrückt werden. Hier­ für geeignete Hilfsmaterialien sind beispielsweise Si oder SiO₂ oder amorphe Schichten aus anderen bekannten Materia­ lien. Bei diesem Verfahren wird ebenfalls vorteilhaft das Hilfsmaterial unter dem vorbestimmten Winkel α abgeschieden.

Ferner ist es gegebenenfalls auch möglich, nachträglich auf dem bereits abgeschiedenen HTS-Film 15 eine Struktu­ rierungsmaske aus einem entsprechenden Hilfsmaterial aus­ zubilden, wobei ebenfalls vorteilhaft eine Abscheidung un­ ter dem vorbestimmten Winkel α vorgenommen wird. Danach lassen sich die supraleitenden Eigenschaften des HTSL- Films 15 durch eine geeignete Wärmebehandlung in den vor­ bestimmten, von der Strukturierungsmaske abgedeckten Be­ reichen aufgrund von Diffusionsprozessen zwischen dem Hilfsmaterial und dem HTS-Material zerstören.

Die vorstehend angedeuteten Strukturierungsverfahren unter Verwendung eines die supraleitenden Eigenschaften des HTS- Films 15 verhindernden bzw. zerstörenden Hilfsmaterials haben insbesondere den Vorteil, daß eine eventuell schädi­ gende Wirkung eines Abhebe- oder Wegätzprozesses von nicht-supraleitenden Film-Teilflächen zu vermeiden ist und keine seitlichen Filmränder entstehen, aus denen z. B. Sauerstoff aus dem HTS- Film ausdiffundieren könnte.

Mit erfindungsgemäßen Josephsonelementen 2 lassen sich vorteilhaft elektronische Schaltungseinrichtungen, wie ins­ besondere SQUIDs, aufbauen. Ein entsprechendes Ausführungs­ beispiel zeigt nicht-maßstäblich Fig. 3 als Aufsicht. Ein allgemein mit 20 bezeichnetes Gleichstrom(DC)-SQUID, das nach bekannten Verfahren der Dünnfilm-Technik zu erstellen ist, weist eine breite, ringförmige Schleife 21 aus supra­ leitendem Material mit rechteckigem oder auch rundem Umriß auf. Diese Schleife ist mit einer Kontaktfläche 22, einem sogenannten "Kontaktpad", versehen und auf einer Seite durch einen schmalen Spalt oder Schlitz 23 unterbrochen.

Dort mündet die Schleife in zwei nach außen führende, schmale, stegartige Leiterstreifen 3 und 3′. Die axiale Länge L dieser Streifen liegt dabei im allgemeinen in der Größenordnung von wenigen µm. In dem nach außen führenden Bereich der Leiterstreifen 3 und 3′ befinden sich zwei für ein DC-SQUID charakteristische Josephsonelemente 2 und 2′. Diese Elemente sind jeweils als Korn­ grenzen-Josephsonelemente an nur einer Kante einer Stufe 7 ausgebildet (vgl. Fig. 1). Dementsprechend führt jeder der Leiterstreifen 3 und 3′ über eine durch eine punktier­ te Linie angedeutete Stufenoberkante 9, eine schräge Flan­ ke über eine entsprechend punktiert dargestellte Stufenun­ terkante 10 hinweg. Allein die an der Oberkante 9 gebilde­ ten Korngrenzen 24 bzw. 24′ sollen erfindungsgemäß die Jo­ sephsonelemente 2 und 2′ definieren. Deshalb muß die SQUID-Schleife 21 so geschlossen sein, daß die an der Un­ terkante 10 gebildeten Korngrenzen 25 bzw. 25′ keine Wirk­ samkeit haben. Hierzu ist gemäß dem für Fig. 3 gewählten Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß die abgeschrägte Flan­ ke zwischen der Oberkante 9 und der Unterkante 10 auf ei­ ner großen Breite B mit einem Leiterstück 3c abgedeckt ist. Außerdem sind parallel zu den Streifenleitern 3 und 3′ noch mindestens ein, im Ausführungsbeispiel zwei Leiterstreifen 26 und 26′ mit deutlich größerer Breite b′ als die Breite b1 der Leiterstreifen 3 und 3′ über die Stufe 7 hinwegge­ führt. Diese dem Streifen 13 nach Fig. 1 entsprechenden Streifen 26 und 26′ sind nicht mit den oberen Leiterstüc­ ken 3a bzw. 3a′ der Leiterstreifen 3 und 3′, jedoch mit dem auf der Flanke der Stufe befindlichen Leiterstück 3c und gegebenenfalls auch mit den unteren Leiterstücken 3b und 3b′ der Leiterstreifen 3 und 3′ über einen breiten Querstreifen 27 verbunden. Als Breite b2 gemäß Fig. 1 ist folglich bei diesem Ausführungsbeispiel die Summe aus den Breiten b′ und b1 für jedes der Elemente 2 und 2′ anzuse­ hen. Die Streifen 26 und 26′ bilden mit dem Querstreifen 27 eine etwa C-förmige, an das auf der Flanke befindliche Leiterstück 3c angeschlossene und die Stufenunterkante 10 großflächig überbrückende Leiterstruktur 30. Diese Leiter­ struktur kann an einer Kontaktfläche 31 mit einem An­ schlußleiter verbunden werden.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Lei­ terstruktur 30 wurde davon ausgegangen, daß die Leiter­ streifen 3 und 3′ auf der unteren Ebene der Stufe 7 in die Leiterstruktur übergehen. Um die Ausbildung parasitärer SQUIDs zu vermeiden, können jedoch die Leiterstruktur und die Leiterstreifen in diesem Bereich auch unverbunden bleiben.

Wie ferner aus Fig. 3 hervorgeht, ist zum Schließen der SQUID-Schleife 21 prinzipiell nur das auf der abgeschräg­ ten Flanke befindliche Leiterstück 3c aus einem HTS-Film erforderlich. Dieses Leiterstück ist zwischen den Kanten 9 und 10 nur wenige Mikrometer ausgedehnt, hat jedoch eine wesentlich größere Breite B von z. B. 10 bis 100 µm. Vor­ teilhaft erfolgt dabei der Schluß der SQUID-Schleife ohne eine Korngrenze. Praktisch kein Teil der SQUID-Schleife liegt auf einem durch Ätzen tiefgelegten Teil des Substra­ tes, wo die Qualität eines HTS- Films zwar nicht wesent­ lich, aber doch merklich schlechter ist als auf dem unge­ ätzten Teil. Lediglich ein für ein solches SQUID erforder­ licher Signal- und Bias-Kontakt muß über die Stufenunter­ kante 10 geführt werden. Dort ist aber die Korngrenze auf­ grund der großen Leiterbreite so groß ausgebildet, daß sie praktisch immer wie ein supraleitender Kurzschluß wirkt und deshalb die über sie hinweggeführten Signale nicht be­ einträchtigt.

Da die SQUID-Schleife 21 gemäß Fig. 3 im Bereich der ab­ geschrägten Flanke zwischen den Kanten 9 und 10 geschlos­ sen wird, kann gemäß der Aufsicht der Fig. 4 das entspre­ chende Leiterstück 3c auch seitlich verlängert werden und in einen wesentlich breiteren Leiterstreifen 33 übergehen, der die Stufe 7 großflächig überdeckt und mit einer Kon­ taktfläche 34 versehen ist.

Abweichend von der in den Fig. 3 und 4 nicht maßstäb­ lich skizzierten Ausbildung eines DC-SQUIDs können auch SQUIDs mit nur einem Josephsonelement nach der Erfindung aufgebaut werden. Hierzu legt man einen der beiden Leiter­ streifen 3 oder 3′ in einer solchen Breite über die Stufe 7 hinweg, daß dort die sowohl an der Stufenoberkante 9 als auch an der Stufenunterkante 10 ausgebildeten Korngrenzen jeweils praktisch kurzgeschlossen sind.

Für die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele wurde angenommen, daß die Unterlage der Josephsonelemente ein Substrat ist, in welches durch einen Ätzprozeß eine Stufe eingearbeitet wird. Selbstverständlich kann als Unterlage auch ein ebenes Sub­ strat dienen, das mit einem epitaxiefähigen Film versehen wird, dessen seitliche Berandung die erforderliche Stufe bildet.

Claims (11)

1. Korngrenzen-Josephsonelement (2, 2′) mit metalloxidischem Hochtemperatursupraleiter(HTS)-Material auf einer epitaxiefähigen Unterlage (4), die eine Stufe (7) mit einer abgeschrägten Flanke (11) zwischen einer korngrenzeninduzierenden Oberkante (9) und einer korngrenzeninduzierenden Unterkante (10) aufweist, wobei sich über die Stufe (7) streifenförmige Leiterstücke aus dem HTS-Material erstrecken, welche ein mittleres, sich auf der Flanke (11) zwischen der Stufenoberkante (9) und der Stufenunterkante (10) erstreckendes Leiterstück (3c), mindestens ein unteres, an der Stufenunterkante (10) an dieses mittlere Leiterstück (3c) angrenzendes Leiterstück (13b, 26, 26′, 33) und ein oberes, an der Stufenoberkante (9) an das mittlere Leiterstück (3c) angrenzendenden Leiterstück (3a, 3a′) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B bzw. b2, b′) des unteren und mittleren Leiterstückes (13b, 26, 26′, 33 bzw. 3c) jeweils größer ist als die Breite (b1) eines oberen Leiterstückes (3a, 3a′).

2. Josephsonelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstücke (3a, 3a′, 3c, 13b) mindestens zwei über die Stufe (7) parallel verlaufenden Leiterstreifen (3, 3′, 13, 26, 26′, 33) zuzu­ ordnen sind, wobei der eine Leiterstreifen (3, 3′) die Breite (b1) des oberen Leiterstückes (3a, 3a′) und der andere Leiterstreifen (13, 26, 26′, 33) die vergleichsweise größere Breite (b2, b′) des unteren Lei­ terstückes (13b) aufweist und wobei diese Leiterstreifen (3, 3′, 13, 26, 26′, 33) zumindest über das mittlere Lei­ terstück (3c) miteinander verbunden sind.

3. Josephsonelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenunterkante (10) auf einer Breite (b2, b′) überbrückt ist, die minde­ stens dreimal so groß ist wie die Breite (b1) des oberen Leiterstückes (3a, 3a′).

4. Josephsonelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mittlere Leiterstück (3c) seitlich auf der Flanke an einen Leiterstreifen (33) angeschlossen ist, der in großer Brei­ te zumindest die Stufenunterkante (10) überbrückt (vgl. Fig. 4).

5. Josephsonelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (α) der Flanke (11) gegenüber der Ebene (E1) des an die Stufenoberkante (9) angrenzenden oberen Leiterstückes (3a, 3a′) mindestens 45° beträgt.

6. Verfahren zur Herstellung eines Josephsonelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strukturierung zumin­ dest des wenigstens einen an die Stufenoberkante (9) an­ grenzenden oberen Leiterstückes (3a, 3a′) mittels eines Strahles (17) erfolgt, der unter einem Winkel bezüglich der Ebene (E1) des oberen Leiterstückes (3a, 3a′) ausge­ richtet ist, der höchstens so groß wie der Neigungswinkel (α) der Flanke (11) gegenüber dieser Ebene ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für einen photolithographi­ schen Schritt eine entsprechende Lackschicht (16) mittels eines gerichteten Lichtstrahles zu einer Maske struktu­ riert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß aus einem HTS-Film (15) in einem Ätzprozeß mittels eines gerichteten Ionenstrahles (17) zumindest das wenigstens eine an die Stufenoberkante (9) angrenzende obere Leiterstück (3a, 3a′) strukturiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Strukturierung eines Films (15) aus dem HTS-Material zumindest zu dem wenig­ stens einen oberen Leiterstück (3a, 3a′) dadurch erfolgt, daß vor dem Abscheiden des HTS-Films (15) auf der Unterla­ ge (4) ein eine geordnete Kristallstruktur des HTS-Mate­ rials verhinderndes Hilfsmaterial an den Stellen der Un­ terlage (4) aufgebracht wird, wo beim Abscheiden des HTS- Materials ein geordnetes Wachstum dieses Materials unter­ bunden werden soll.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Strukturierung eines Films (15) aus dem HTS-Material zumindest zu dem wenig­ stens einen oberen Leiterstück (3a, 3a′) dadurch erfolgt, daß ein eine geordnete Kristallstruktur des HTS-Materials verhinderndes Hilfsmaterial an den Stellen des HTS-Films (15) abgeschieden wird, wo durch eine nachträgliche Wärme­ behandlung die supraleitenden Eigenschaften des HTS-Films (15) zerstört werden sollen.

11. Verwendung von mindestens einem Josephsonelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Aufbau eines SQUIDs (20), dessen SQUID-Schleife (21) einen seitlichen Schlitz (23) aufweist, der auf der Flanke (11) mittels des dort befind­ lichen Leiterstückes (3c) geschlossen ist.