Holger Burkhardt, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000 :
Kurzfassung
Die elektrischen Eigenschaften von Josephson-Kontakten aus dem
Hochtemperatur-Supraleiter YBCO werden untersucht. Die
Josephson-Kontakte werden in einer
Supraleiter/Barriere/Supraleiter-Struktur in Rampengeometrie
hergestellt. Dafür ist ein Mehrlagenprozess erforderlich bestehend
aus Laserdeposition, konventioneller Photolithographie und
Argon-Ionen-Plasma-Ätzen in einem Parallelplatten-Reaktor.
Als Barrierenmaterialien kommen PBCO, mit Gallium
dotiertes PBGCO, STO oder ZnO zum Einsatz.
Der Präprationsprozess wurde für verbesserte
Hochfrequenz-Eigenschaften erfolgreich auf das Substrat-Material
LAO umgestellt.
Aussagen über den Leitfähigkeitsmechanismus in der Barriere lassen
sich aus der Untersuchung des kritischen Stroms Ic und des normalleitenden
Widerstandes Rn in Abhängigkeit der Barrierendicke und des
Barrierenmaterials, sowie der Temperatur, elektrischen Feldstärke, des
Magnet- und Hochfrequenzeinflusses machen. Es wird gefunden, dass
in allen untersuchten Materialien für Cooper-Paare direktes Tunneln,
für Quasi-Teilchen dagegen resonantes Tunneln über einen
lokalisierten Zustand dominiert.
Nach einer Optimierung aller Einzelprozesse der Präparation, mit Hilfe von
statistischen Methoden der Versuchsplanung, zur Verbesserung der
Reproduzierbarkeit und Reduzierung der chip-to-chip Streuung wird in dieser
Arbeit besonderes Gewicht auf die Untersuchung der on-chip Streuung
der charakteristischen Parameter gelegt. Hierzu wird zunächst mit
Hilfe eines Arrays aus zwei Millionen Josephson-Kontakten auf einem
rm 1,cmtimes 1,cm gross en Substrat demonstriert, dass mit
unserem optimierten Herstellungsprozess eine so hohe
Integrationsdichte erzielt werden kann. In Zusammenarbeit mit der
Universität Erlangen wird dann durch Emissionsmessungen an
diesen Arrays eine Aussage über die on-chip Streuung gemacht.
Die Untersuchung von kleineren Serienarrays identifiziert die
intrinsischen elektrischen Eigenschaften des Barrierenmaterials als
gröss te Ursache von Streuung in den Werten Ic und Rn.
Eine signifikante Streuung in der Barrierendicke wird dagegen nicht
gefunden.
Anhand von Anwendungen in Form von rf-SQUIDs
(Supraleitende Quanteninterferometern) und
Fluss transformatoren wird der erfolgreiche Einsatz von in
Multilagen-Technologie hergestellten Bauelementen demonstriert. In
Zusammenarbeit mit dem IPHT in Jena läss t sich mit Hilfe der rf-SQUIDs
nachweisen, dass, abgesehen von Rauschenbeiträgen, die
Strom-Phasenrelation in Rampen-Kontakten sinusförmig ist.
The electric properties of Josephson junctions based on the high-temperature superconductor YBCO are investigated. The Josephson junctions are prepared in sandwich structures of superconductor/barrier/superconductor in ramp-edge geometry. For this a multilayer technology consisting of laser deposition, conventional photolithography, and argon ion etching in a parallel plate reactor is used. The barrier is made of PBCO, gallium doped PBGCO, STO, or ZnO. The process was successfully transferred to LAO as substrate for better rf-properties. The investigation of the critical current Ic and the normal state resistance Rn allows statements about the conduction mechanism in the barrier in dependence of its material and thickness, as well as temperature, electric field, magnetic field and rf-field influence. It is found that in the investigated materials direct tunnelling dominates the Cooper-pair transport, whereas the quasiparticle transport is dominated by resonant tunnelling via one localised state. After the optimisation of all subprocesses of the preparation with statistical methods for the design of experiment (DOE) to improve the reproducibility and to reduce the chip-to-chip spread, this work presents the investigation of the on-chip spread of the characteristic properties. Therefore an array with two million Josephson junctions on a rm 1,cmtimes 1,cm substrate was prepared, demonstrating the capability to achieve such high integration. Emission measurements are carried out in co-operation with the University of Erlangen, and a statement about the on-chip spread is expressed. The investigation of small serial arrays identifies the intrinsic electric properties of the barrier material as contribution to the spread of Ic and Rn, but no significant spread of the barrier thickness is found. Radio frequency-superconducting interference devices (rf-SQUIDs) and flux-transformers demonstrate the successful application of the multilayer technology. Further, measurements with rf-SQUIDs in co-operation with the IPHT in Jena establish the current-phase relation of ramp-edge Josephson junctions to be sinusoidal apart from a deviation due to noise.