FR2463512A1 - Josephson junction device - comprising superconducting or semiconducting strip on insulating substrate and sub-regions sepd. by barrier from the strip - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne les dispositifs à jonction tunnel, et notamment à jonction supraconducteur-isolantsupraconducteur permettant de mettre en oeuvre l'effet Josephson. The present invention relates to tunnel junction devices, and in particular to a superconductive-insulating-superconductive junction enabling the Josephson effect to be implemented.
Elle concerne toutefois également d'autres dispositifs à jonction tunnel, en particulier diodes Schottky et structures MOS. However, it also relates to other tunnel junction devices, in particular Schottky diodes and MOS structures.
Il n'est pas nécessaire de décrire ici l'effet
Josephson et les dispositifs connus permettant de le mettre en oeuvre. On pourra en trouver une description dans de nombreux ouvrages, par exemple dans l'article "La Cryo-électronique" par
John Clarke, La Recherche, NO 38, octobre 1973, pp. 845-855. On rappellera seulement que, parmi les divers types de jonctions
Josephson, les jonctions tunnel présentent un certain nombre d'avantages et notamment une bonne stabilité en température, une tenue satisfaisante lorsqu'elles sont soumises à des cycles thermiques et une faible densité de courant critique.It is not necessary to describe the effect here
Josephson and the known devices enabling it to be implemented. A description can be found in many books, for example in the article "La Cryo-électronique" by
John Clarke, La Recherche, NO 38, October 1973, pp. 845-855. It will only be recalled that, among the various types of junctions
Josephson, tunnel junctions have a number of advantages, in particular good temperature stability, satisfactory behavior when subjected to thermal cycles and a low critical current density.
En contrepartie, ces jonctions présentent quelques inconvénients : en particulier, elles ont une capacité électrique répartie élevée et la géométrie en couches superposées des jonctions habituelles se traduit par un écrantage des champs électromagnétiques qui leur sont imposés dans certaines applications. In return, these junctions have some drawbacks: in particular, they have a high distributed electrical capacity and the geometry in superimposed layers of the usual junctions results in a screening of the electromagnetic fields which are imposed on them in certain applications.
La présente invention vise à fournir un dispositif à jonction tunnel répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il peut être réalisé de façon à ne présenter qu'une capacité beaucoup plus faible. The present invention aims to provide a tunnel junction device that better meets those previously known to the requirements of practice, in particular in that it can be produced so as to have only a much lower capacity.
L'invention vise également à fournir un dispositif ayant une transparence élevée aux champs électromagnétiques, ce qui est un critère avantageux pour de nombreuses applications. The invention also aims to provide a device with high transparency to electromagnetic fields, which is an advantageous criterion for many applications.
Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif qui comprend, sur un substrat isolant, une bande de matériau supraconducteur ou conducteur et au moins une région latérale de suPraConducteur ou de semiconducteur séparée de la bande par une barrière sensiblement transversale au substrat, d'épaisseur comprise entre lnm et 5nm si elle est isolante. To this end, the invention provides in particular a device which comprises, on an insulating substrate, a strip of superconductive or conductive material and at least one lateral region of superconductor or semiconductor separated from the strip by a barrier substantially transverse to the substrate, 'thickness between lnm and 5nm if it is insulating.
On voit que la barrière se développe dans le sens de la hauteur et non plus, comme dans les dispositions antérieures, en plan, ce qui permet d'arriver à des dimensions beaucoup plus faibles, donc à des capacités plus réduites. It can be seen that the barrier develops in the direction of the height and no longer, as in the previous arrangements, in plan, which makes it possible to arrive at much smaller dimensions, therefore at more reduced capacities.
Dans un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention le dispositif, destiné à mettre en oeuvre l'effet Josephson, comprend, sur un substrat isolant, une bande de premier supraconducteur et deux régions latérales de second supraconducteur séparées chacune de la bande par une barrière isolante constituée par une couche d'oxyde d'un des supraconducteurs, transversale au substrat, d'épaisseur comprise entre 1 nm et 5 nm. In a particular embodiment of the invention, the device, intended to implement the Josephson effect, comprises, on an insulating substrate, a strip of first superconductor and two lateral regions of second superconductor each separated from the strip by an insulating barrier constituted by an oxide layer of one of the superconductors, transverse to the substrate, of thickness between 1 nm and 5 nm.
Dans le cas général, on ntutilisera pas un dispositif comportant un couple unique de jonctions, mais un dispositif dont le substrat porte une pluralité de bandes du premier supraconducteur, parallèles et séparées, deux bandes adjacentes étant séparées par une région latérale commune. In the general case, use will not be made of a device comprising a single pair of junctions, but of a device whose substrate carries a plurality of strips of the first superconductor, parallel and separate, two adjacent strips being separated by a common lateral region.
Les dispositifs suivant l'invention, qu'on peut qualifier de dispositifs "à jonctions bord à bord", ont une géométrie très ouverte du côté du substrat, qui se prête bien à l'émission et à la détection des micro-ondes. Ces dispositifs présentent, aux températures cryogéniques, un comportement Josephson, et en particulier l'apparition de nombreux paliers de courants à tension fixe, sous irradiation par micro-ondes. Il faut noter que les paliers de courant se produisent à des tensions doubles lorsque des couples de jonctions sont disposés en série, ce qui constitue un facteur favorable pour la fabrication d'étalons de tension. The devices according to the invention, which can be described as "edge to edge junction" devices, have a very open geometry on the side of the substrate, which lends itself well to the emission and detection of microwaves. These devices exhibit, at cryogenic temperatures, Josephson behavior, and in particular the appearance of numerous stages of currents at fixed voltage, under microwave irradiation. It should be noted that the current stages occur at double voltages when pairs of junctions are arranged in series, which constitutes a favorable factor for the manufacture of voltage standards.
On peut utiliser, dans un dispositif destiné à mettre en oeuvre l'effet Josephson, divers matériaux pour constituer la bande et les régions latérales. A titre d'exemple, on peut citer le plomb, pur ou avantageusement dopé pour améliorer la stabilité à long terme. On connait en particulier des supraconducteurs en plomb dopé à l'indium, #à l'or et au bismuth qui donnent des résultats très satisfaisants. On peut également citer le niobium et l'étain. One can use, in a device intended to implement the Josephson effect, various materials to constitute the band and the lateral regions. By way of example, mention may be made of lead, pure or advantageously doped to improve long-term stability. We know in particular superconductors of lead doped with indium, # with gold and with bismuth which give very satisfactory results. Mention may also be made of niobium and tin.
A titre d'exemple d'autres applications, on peut citer la réalisation de diodes Schottky dans lesquelles la bande est constituée par un matériau conducteur, tandis que la région latérale ou chaque région latérale est constituée par un semiconducteur en contact avec la bande par-une tranche et séparée de ce conducteur dans le sens parallèle au substrat par un isolant tel qu'une résine photosensible. By way of example of other applications, mention may be made of Schottky diodes in which the strip consists of a conductive material, while the lateral region or each lateral region consists of a semiconductor in contact with the strip. a wafer and separated from this conductor in the direction parallel to the substrate by an insulator such as a photosensitive resin.
L'invention propose également un procédé de fabrication de dispositifs du genre ci-dessus défini, caractérisé en ce qu'on constitue, sur un substrat isolant, une couche mince d'un premier supraconducteur ou d'un semiconducteur qu'on recouvre d'un revêtement photosensible , on découpe, dans le revêtement et la couche, des caissons parallèles laissant subsister des régions parallèles séparées ; on oxyde éventuellement ledit premier supraconducteur sur le flanc des caissons sur une épaisseur correspondant à la constitution d'une barrière autorisant l'effet tunnel et on constitue, dans les caissons, des bandes parallèles d'un second supraconducteur ou d'un conducteur. The invention also provides a method for manufacturing devices of the above-defined type, characterized in that a thin layer of a first superconductor or a semiconductor is formed on an insulating substrate, which is covered with a photosensitive coating, parallel boxes are cut from the coating and the layer, leaving separate parallel regions; said first superconductor is optionally oxidized on the side of the wells over a thickness corresponding to the constitution of a barrier allowing the tunnel effect and parallel strips of a second superconductor or of a conductor are formed in the wells.
On voit que ce procédé est susceptible d'etre mis en oeuvre en utilisant uniquement des processus de fabrication de micro-circuits actuellement bien au point. En intégrant, sur de faibles dimensions, un grand nombre de jonctions en série, on peut par ailleurs réaliser, sous un faible volume, des étalons de tension fonctionnant à des tensions beaucoup plus élevées que les dispositifs actuels à une seule jonction. We see that this process is likely to be implemented using only micro-circuit manufacturing processes currently well developed. By integrating, on small dimensions, a large number of junctions in series, it is also possible to produce, in a small volume, voltage standards operating at voltages much higher than current devices with a single junction.
Par ailleurs, en réalisant des couches d'épaisseur faible, on arrive à donner au dispositif une capacité beaucoup plus faible que celle d'un dispositif à jonction tunnel classique de mise en oeuvre de l'effet Josephson. Furthermore, by making layers of low thickness, we manage to give the device a much lower capacity than that of a conventional tunnel junction device for implementing the Josephson effect.
Comme indiqué plus haut, le dispositif suivant l'invention est applicable à tous les domaines classiques de mise en oeuvre des jonctions Josephson, notamment la métrologie, la constitution des circuits logiques, l'émission et la détection des micro-ondes. De façon plus particulière, on peut constituer des dispositifs suivant l'invention destinés à la réalisation de détecteurs de rayonnements électromagnétiques, de mélangeurs de fréquence, d'amplificateurs paramètriques, de circuits de commutation rapide, de mémoires numériques et de magnétomètres sensibles à des champs très faibles. As indicated above, the device according to the invention is applicable to all the conventional fields of implementation of Josephson junctions, in particular metrology, the constitution of logic circuits, the emission and the detection of microwaves. More particularly, it is possible to constitute devices according to the invention intended for the production of electromagnetic radiation detectors, frequency mixers, parametric amplifiers, fast switching circuits, digital memories and magnetometers sensitive to fields very weak.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un procédé de fabrication d'un dispositif suivant l'invention qui en constitue un mode particulier d'exécution. La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel
- les figures la à If montrent, de façon très schématique, les diverses étapes de fabrication du dispositif (les échelles n'étant pas respectées pour plus de clarté)
- la figure 2 est une courbe caractéristique couranttension du dispositif de la figure 1 f
- la figure 3 est un schéma d'un dispositif à jonctions en ligne suivant l'art antérieur (la circulation du courant étant schématisée par des flèches). The invention will be better understood on reading the following description of a process for manufacturing a device according to the invention which constitutes a particular embodiment thereof. The description refers to the accompanying drawing, in which
- Figures la to If show, very schematically, the various stages of manufacture of the device (the scales are not respected for clarity)
- Figure 2 is a characteristic curve current voltage of the device of Figure 1 f
- Figure 3 is a diagram of an in-line junction device according to the prior art (the flow of current being shown diagrammatically by arrows).
Le procédé qui va maintenant être décrit est destiné
fournir un dispositif sous forme d'un micro-circuit intégré constitué de couples de jonctions bord à bord disposés en série sur un substrat (dont l'épaisseur est beaucoup plus forte que celle indiquée sur les figures).The process which will now be described is intended
providing a device in the form of an integrated micro-circuit made up of pairs of edge to edge junctions arranged in series on a substrate (the thickness of which is much greater than that indicated in the figures).
On dépose tout d'abord, sur le substrat isolant 10, une couche 11 de matériau supraconducteur, avantageusement de niobium ou de plomb, éventuellement dopé pour améliorer sa tenue aux cyclages thermiques, sous forme d'une bande mince. Dans la pratique, la bande aura généralement une épaisseur comprise entre 20 nm et 500 nm. La bande peut être réalisée par les procédés classiques de micro-photogravure, qui permettent sans difficulté-de réaliser des bandes régulières de faible largeur ; la technologie actuelle permet de réaliser de telles bandes à partir de 2 microns de largeur. First of all, a layer 11 of superconductive material, advantageously of niobium or lead, optionally doped to improve its resistance to thermal cycling, is deposited on the insulating substrate 10, in the form of a thin strip. In practice, the strip will generally have a thickness of between 20 nm and 500 nm. The strip can be produced by the conventional micro-photoengraving methods, which make it possible without difficulty to produce regular strips of small width; current technology makes it possible to produce such strips from 2 microns in width.
On recouvre ensuite la couche 11 d'une résine photosensible dite aussi "photoresist" dans laquelle on réalise, par des techniques classiques de photogravure, des fenêtres transversales parallèles. A l'issue de cette opération, la couche 11 se trouve à nu dans des zones séparées par des lamelles 12 de résine. The layer 11 is then covered with a photosensitive resin also known as a "photoresist" in which parallel transverse windows are produced, by conventional photogravure techniques. After this operation, the layer 11 is exposed in areas separated by strips 12 of resin.
On attaque ensuite la couche 11 à travers les fenêtres formées dans la résine, par exemple par usinage par faisceau d'ions, d'argon notamment. On découpe ainsi dans la couche 11 des caissons parallèles réguliers, limités par des parois transversales au substrat (figure lb). Layer 11 is then attacked through the windows formed in the resin, for example by machining by an ion beam, in particular argon. We thus cut in layer 11 regular parallel boxes, bounded by walls transverse to the substrate (Figure 1b).
On oxyde alors superficiellement les parois des caissons de façon à constituer des barrières isolantes 13 permettant l'apparition de l'effet tunnel. Ces barrières auront typiquement une épaisseur comprise entre 1 nm et 5 nm. L'oxydation peut s'effectuer par oxydation naturelle (cas du plomb) ou dans un plasma froid d'oxygène (pour le niobium notamment). The walls of the boxes are then surface oxidized so as to constitute insulating barriers 13 allowing the appearance of the tunnel effect. These barriers will typically have a thickness of between 1 nm and 5 nm. Oxidation can be carried out by natural oxidation (in the case of lead) or in a cold oxygen plasma (for niobium in particular).
On dépose ensuite successivement un revêtement en matériau supraconducteur 14, généralement en étain ou en plomb suivant que la couche est en plomb ou en niobium, par évaporation sous vide (figure id) puis une pellicule 15 de résine de protection (figure le). Les deux supraconducteurs 11 et 14 sont ainsi séparés, d'une part, par la couche de résine isolante 12, d'autre part, par les jonctions oxydées 13 qui se trouvent toutes dans des plans parallèles normaux au plan du substrat 10. On a ainsi des jonctions en série qui peuvent être plomb-oxyde de plomb étain ou niobium-oxyde de niobium-plomb. A coating of superconductive material 14, generally made of tin or lead, is then deposited successively, depending on whether the layer is lead or niobium, by vacuum evaporation (FIG. Id) then a film 15 of protective resin (FIG. Le). The two superconductors 11 and 14 are thus separated, on the one hand, by the insulating resin layer 12, on the other hand, by the oxidized junctions 13 which are all in normal planes parallel to the plane of the substrate 10. We have thus series junctions which can be lead-tin lead oxide or niobium-niobium oxide-lead.
Enfin, la pellicule de résine isolante 15 et le supraconducteur 14 peuvent être découpés par des procédés classiques. On peut en particulier prévoir une pellicule de résine photosensible qu'on irradie sous masque pour éliminer des fenêtres, puis découper la bande de supraconducteur 14 par micro-usinage (attaque chimique ou usinage ionique). Finally, the insulating resin film 15 and the superconductor 14 can be cut by conventional methods. One can in particular provide a film of photosensitive resin which is irradiated under mask to eliminate windows, then cut the strip of superconductor 14 by micromachining (chemical attack or ionic machining).
On obtient ainsi un micro-circuit comprenant un ensemble de jonctions en série (figure If) dont les plans sont parallèles et équidistants. Les barrières 13 séparent des bandes 16 d'un premier supraconducteur de régions latérales communes 17 constituant les fractions restantes de la couche 11. A micro-circuit is thus obtained comprising a set of junctions in series (Figure If) whose planes are parallel and equidistant. The barriers 13 separate strips 16 of a first superconductor from common lateral regions 17 constituting the remaining fractions of the layer 11.
On voit que la structure de la figure If est très ouverte du côté du substrat 10 et permet un excellent couplage avec un champ électromagnétique du type montré sur la figure If, dont le sens de propagation est transversal à la direction d'alignement des barrières et dont le champ électrique E est parallèle à ce sens d'alignement. It can be seen that the structure of FIG. If is very open on the side of the substrate 10 and allows excellent coupling with an electromagnetic field of the type shown in FIG. If, the direction of propagation of which is transverse to the direction of alignment of the barriers and whose electric field E is parallel to this direction of alignment.
Un tel dispositif présente notamment la caractéristique courant I - tension V caractéristique d'une jonction Josephson lorsqu'il est soumis à un rayonnement hyper-fréquence (figure 2) mais les discontinuités apparaissent pour des tensions doubles de celles que l'on obtient dans le cas de jonctions simples. Such a device has in particular the current characteristic I - voltage V characteristic of a Josephson junction when it is subjected to hyper-frequency radiation (FIG. 2) but the discontinuities appear for voltages twice that obtained in the case of simple junctions.
Si l'on compare le dispositif suivant l'invention à un dispositif classique multi-jonction du type dit "en ligne" (figure 3), on constate que les jonctions peuvent avoir une surface très réduite, l'épaisseur e d'une couche de supraconducteur (figure If) pouvant être très inférieure à la longueur 1, la largeur pouvant évidemment être la même (par exemple 2,5 microns). De plus et surtout, toutes les jonctions sont traversées par le courant dans le même sens (figure lof), alors que la circulation est alternée dans le cas des dispositifs connus (figure 3). If we compare the device according to the invention to a conventional multi-junction device of the so-called "in-line" type (FIG. 3), we see that the junctions can have a very reduced surface, the thickness e of a layer superconductor (Figure If) can be much less than the length 1, the width can obviously be the same (for example 2.5 microns). In addition and above all, all the junctions are crossed by the current in the same direction (figure lof), while the circulation is alternated in the case of known devices (figure 3).
L'invention ne se limite évidemment pas au mode particulier de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple. Elle est susceptible de nombreuses variantes et son domaine s'étend notamment à l'ensemble des jonctions MOS. The invention is obviously not limited to the particular embodiment which has been shown and described by way of example. It is susceptible of numerous variants and its field extends in particular to all of the MOS junctions.
On peut citer, comme autre exemple d'application, la constitution d'une diode Schottky. Dans ce cas, on part d'une pastille de semiconducteur (silicium dopé P ou N par exemple) sur un substrat isolant, qui permettra de constituer la région ou les régions latérale(s). As another example of application, we can cite the constitution of a Schottky diode. In this case, we start from a semiconductor wafer (P or N doped silicon for example) on an insulating substrate, which will make up the lateral region or regions.
On forme par photolithogravure un caisson dans le substrat et, si sa profondeur est inférieure à celle de la pastille, on forme au fond une couche isolante, par exemple par bombardement par ions d'oxygène. Dans ce dernier cas, il faut ensuite décaper le(s) flanc(s) du caisson, par exemple par bombardement à l'oxygène. On dépose enfin une bande mince de matériau conducteur, généralement or ou platine, dans le caisson, contre l'un des flancs et sur la résine qui recouvre l'une des régions latérales là encore, on obtient un contact dont la dimension, et donc la capacité, peut être faible. A box is formed by photolithography in the substrate and, if its depth is less than that of the pellet, an insulating layer is formed at the bottom, for example by bombardment with oxygen ions. In the latter case, it is then necessary to strip the side (s) of the box, for example by oxygen bombardment. Finally, a thin strip of conductive material, generally gold or platinum, is deposited in the box, against one of the sides and on the resin which covers one of the lateral regions there again, a contact is obtained whose dimension, and therefore capacity, may be low.
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FR7913869A FR2463512A1 (en) | 1979-05-30 | 1979-05-30 | Josephson junction device - comprising superconducting or semiconducting strip on insulating substrate and sub-regions sepd. by barrier from the strip |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR7913869A FR2463512A1 (en) | 1979-05-30 | 1979-05-30 | Josephson junction device - comprising superconducting or semiconducting strip on insulating substrate and sub-regions sepd. by barrier from the strip |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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FR2463512A1 true FR2463512A1 (en) | 1981-02-20 |
FR2463512B1 FR2463512B1 (en) | 1983-02-25 |
Family
ID=9226042
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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FR7913869A Granted FR2463512A1 (en) | 1979-05-30 | 1979-05-30 | Josephson junction device - comprising superconducting or semiconducting strip on insulating substrate and sub-regions sepd. by barrier from the strip |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FR (1) | FR2463512A1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4586062A (en) * | 1982-02-23 | 1986-04-29 | Centre National De La Recherche Scientifique | Microcircuits formed from substrates of organic quasiunidimensional conductors |
EP0688848A1 (en) | 1994-06-22 | 1995-12-27 | Rhone-Poulenc Chimie | Concentrated system based on a thickening agent, said system being dispersible and thickenable by dilution in aqueous media |
EP0691315A1 (en) | 1994-07-08 | 1996-01-10 | Rhone-Poulenc Chimie | Process for manufacturing of aqueous, pumpable compositions containing clay |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR1593108A (en) * | 1967-11-24 | 1970-05-25 | ||
DE2739156A1 (en) * | 1977-08-31 | 1979-03-15 | Licentia Gmbh | Circuit containing Josephson elements - uses elements in form of electromagnetic HF line with inputs and outputs in series |
-
1979
- 1979-05-30 FR FR7913869A patent/FR2463512A1/en active Granted
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR1593108A (en) * | 1967-11-24 | 1970-05-25 | ||
DE2739156A1 (en) * | 1977-08-31 | 1979-03-15 | Licentia Gmbh | Circuit containing Josephson elements - uses elements in form of electromagnetic HF line with inputs and outputs in series |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4586062A (en) * | 1982-02-23 | 1986-04-29 | Centre National De La Recherche Scientifique | Microcircuits formed from substrates of organic quasiunidimensional conductors |
EP0688848A1 (en) | 1994-06-22 | 1995-12-27 | Rhone-Poulenc Chimie | Concentrated system based on a thickening agent, said system being dispersible and thickenable by dilution in aqueous media |
EP0691315A1 (en) | 1994-07-08 | 1996-01-10 | Rhone-Poulenc Chimie | Process for manufacturing of aqueous, pumpable compositions containing clay |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2463512B1 (en) | 1983-02-25 |
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Legal Events
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ST | Notification of lapse |