重現(xiàn)性較強的階梯約瑟夫森觸點的制作方法
【專利摘要】建議具有約瑟夫森觸點的電子組件以及制造方法。所述組件包括襯底（1.1）以及設置在所述襯底上、由高溫超導材料（1.4）制成的層，其中所述襯底在其表面中具有至少一個階梯邊緣，其中所述層在所述階梯邊緣處具有晶界（1.5），所述晶界（1.5）構(gòu)成所述約瑟夫森觸點的一個或多個弱鏈接。根據(jù)本發(fā)明，在所述階梯邊緣的兩側(cè)上在高溫超導層的層面中通過襯底的紋理化部和/或設置在所述襯底和所述高溫超導層之間的至少一個緩沖層的紋理化部來將a晶軸和/或b晶軸定向成以直至最高10°的偏差垂直于所述晶界。這在技術(shù)上例如能夠通過如下方式來實現(xiàn)：圖形外延地生長HTSL層。通過相同晶軸分別垂直于階梯邊緣朝著階梯邊緣的兩側(cè)定向，最大的超電流能夠通過由階梯邊緣感應的晶界并且因而流經(jīng)約瑟夫森觸點。
【專利說明】重現(xiàn)性較強的階梯約瑟夫森觸點

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及具有約瑟夫森觸點的電子組件以及制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 高溫超導（高T。，HTSL)電子之間的約瑟夫森觸點是超導電子學的基本單元。它們 尤其用于超導量子干涉器件（SQUID)，以便進行高敏感度磁場測量，并且用在用于THz輻射 的探測器中。
[0003] 約瑟夫森觸點的重要參量是超導狀態(tài)的臨界電流密度J。以及在常導 狀態(tài)下的電阻Rn。這些量、尤其是它們的乘積JdR n (和/或與臨界電流I。的 乘積I。況）作為用于約瑟夫森觸點對于所述目的的可應用性的品質(zhì)因數(shù)由（ E. MiIdhelI1 C, F. Foteyf ^YBCO step-edge junctions wrtfi high IcRniew Sypercondycior Sc-ten? Cea?JTechnotogv23,065007(201doi: 10,1088/0953-2048/23/咖65冊7)已知。該文獻公 開了不僅YBCO HTSL層的晶界處的J。而且Rn與：YBa2Cu307_ x (YBCO)中兩個晶粒的晶體 取向之間的角Θ強相關(guān)。因而建議，在其表面包含階梯邊緣的襯底上生長層。約瑟夫森觸 點在襯底表面的滑梯狀階梯的上邊緣處形成，其方式是在該邊緣處將具有角Θ度的銳利 折彎引入YBCO的晶體結(jié)構(gòu)中。在此，在YBCO中在階梯邊緣處形成晶界，其中，角Θ通過階 梯邊緣的折彎角預給定。該折彎引起局部拉伸并且因此引起YBCO中在晶界處的局部缺氧。 由此在兩個取向不同的D波超導體之間出現(xiàn)折彎的區(qū)域、例如隧道接觸勢壘并且因此構(gòu)成 約瑟夫森觸點的弱鏈接。
[0004] 通過這種方式制造的一些約瑟夫森觸點具有所希望的大的乘積URn。不利的是， 迄今為止，重現(xiàn)性僅僅足夠用于證明原理上的可行性(對概念的證明），然而并不足以用于 大規(guī)模的制造，這是因為形成非常多的次品。
[0005] 任務和解決方案 因而，本發(fā)明的任務是提供來自高溫超導體的約瑟夫森觸點，所述約瑟夫森觸點具有 大的乘積IdRn并且同時與按照迄今為止的現(xiàn)有技術(shù)的相比能夠重現(xiàn)性較強地制造。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明，該任務通過根據(jù)主權(quán)項的、具有約瑟夫森觸點的組件以及通過根據(jù) 并列權(quán)利要求的制造方法得到解決。另外的有利擴展方案從引用主權(quán)項和并列權(quán)利要求的 從屬權(quán)利要求得出。此外，本發(fā)明的主題是用于THz-輻射的探測器以及SQUID，其中應用根 據(jù)本發(fā)明的組件。
[0007] 本發(fā)明的主題 在本發(fā)明的范圍內(nèi)，開發(fā)了具有約瑟夫森觸點的組件。該組件包括襯底以及設置在襯 底上的層，其中所述襯底在其表面具有階梯邊緣，所述設置在襯底上的層由高溫超導材料 制成，其中所述層在該階梯邊緣處具有晶界，所述晶界構(gòu)成約瑟夫森觸點的弱鏈接。在下文 中，該層稱為功能層。
[0008] 階梯邊緣不被理解為襯底的如下外邊緣，在所述外邊緣處所述襯底終止并且因而 位于其上的HTSL層也終止。階梯邊緣在本發(fā)明的意義上寧可是位于襯底表面區(qū)域內(nèi)部以 便位于襯底上的HTSL層朝著該階梯邊緣的兩側(cè)延伸的邊緣。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明，在階梯邊緣的兩側(cè)上在高溫超導層(功能層）的層面中通過襯底的紋 理化部和/或設置在該襯底和高溫超導層(功能層)之間的至少一個緩沖層的紋理化部來將 a晶軸和/或b晶軸定向成以直至最高10°的偏差垂直于晶界。這在技術(shù)上例如能夠通過 將HTSL層(功能層）圖形外延地在紋理化的表面上生長來實現(xiàn)。
[0010] 因而，備選地，根據(jù)本發(fā)明的組件的特征能夠在于，高溫超導功能層圖形外延地在 紋理化的襯底上生長和/或在設置在該襯底和高溫超導功能層之間的紋理化的緩沖層上 生長。通過所述紋理化部，在階梯邊緣的兩側(cè)上在高溫超導功能層的層面中將a晶軸和/ 或b晶軸定向成以直至最高10°的偏差垂直于晶界。
[0011] 將HTSL層的a軸或b軸的定向理解為，這些軸由組合成HTSL層所用的晶粒中超 過90%的晶粒定向。通常始終存在具有錯誤定向的單個晶粒，然而，這些晶粒于是對于電流 傳輸不再起重要作用。
[0012] 將不僅a軸而且b軸的定向理解為，一部分晶粒以其a軸定向成垂直于階梯邊緣， 而一部分晶粒以其b軸定向成垂直于階梯邊緣。
[0013] 會意識到，在解理面（Schichtebene)中HTSL層的超導特性是非常各向異性的。攜 載超電流的超導電子對的波動函數(shù)在解理面中沿著晶軸a和b具有大的振幅，其中，所述振 幅沿著晶軸b具有相對于晶軸a偏移180°的相。在朝著HTSL層的兩個晶軸a和b 45° 下的方向上，超導電子對的波動函數(shù)的振幅等于零。因此，高的超電流基本上僅僅能夠沿著 晶軸a和b傳輸。為了使該超電流也能夠越過階梯邊緣傳輸，必要的是，HTSL層的晶軸a或 b朝著階梯邊緣的兩側(cè)朝階梯邊緣定向。如果與此相反在階梯邊緣的至少一側(cè)上晶體結(jié)構(gòu) 以朝著a軸和b軸成45°的角定向，則沒有超電流（I c=O)流經(jīng)約瑟夫森觸點。此外，在這 種情況下形成零能量狀態(tài)，所述零能量狀態(tài)使約瑟夫森觸點的常導電阻Rn急劇降低（并且 因而還使乘積IdR n急劇降低)。
[0014] 通過因此將a晶軸和/或b晶軸分別垂直于階梯邊緣朝著階梯邊緣的兩側(cè)定向， 最大的超電流能夠流經(jīng)由階梯邊緣感應的晶界并且因此流經(jīng)約瑟夫森觸點。根據(jù)迄今為止 的現(xiàn)有技術(shù)，在解理面中，a軸和b軸的平面內(nèi)定向并不是經(jīng)過控制的，而是隨機構(gòu)成的。因 而，所制造的層還包含許多如下晶粒，其中，a軸和/或b軸與階梯邊緣形成45°的角；因 而，通過這些晶粒的電流傳輸在所感興趣的方向上恰好是最小的。
[0015] 在本發(fā)明的特別有利的擴展方案中，在高溫超導層(功能層）與襯底之間設置反向 外延緩沖層，其中所述反向外延緩沖層是非晶體的或者具有不與襯底和/或高溫超導層外 延兼容的晶體結(jié)構(gòu)，從而使高溫超導層(功能層）的c軸按照能量有利的特有生長方向來取 向并且因而以直至最高10°的偏差垂直于解理面。在此，該解理面在襯底表面上跟隨該折 彎。對于反向外延而言，重要的是，該層按照其特有的相圖的定向、例如基于YBCO層的分 層構(gòu)造與根據(jù)和襯底的耦合的定向相比在能量上是優(yōu)選的。這些高溫超導功能層、尤其是 YBCO層應跟隨其自然趨勢、與在垂直于解理面的c方向上相比在解理面中生長得更快。人 們能夠利用薄的非晶體層或者利用外延非常不兼容的層來實現(xiàn)這一點，使得在與HTSL層 的界面上形成非常多拉伸。第三種可能性是由具有如下晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的材料制成的、非常 薄(例如1納米，優(yōu)選0. 3-1納米)的反向外延層，所述晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)顯著不同于襯底的晶體 結(jié)構(gòu)參數(shù)。在該情況下，產(chǎn)生朝著HTSL層的定向的兩個晶體結(jié)構(gòu)并且在此，兩個晶體結(jié)構(gòu) 對HTSL層的效果彼此削弱。
[0016] 例如，能夠在MgO襯底上設置由釔穩(wěn)定的二氧化鋯（YSZ)制成的第一外延層，所述 第一外延層用作用于由CeO 2制成的固有反向外延層的媒介。因而，能夠設置超導YBCO層。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的反向外延緩沖層當襯底具有與HTSL層兼容的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù) 時引起HTSL層的c軸于是也垂直于解理面取向。由此確保一般而言在階梯邊緣處構(gòu)成HTSL 層中的晶界。在該滑梯狀階梯的邊緣處，在襯底表面中的折彎引起HTSL層的晶體結(jié)構(gòu)中銳 利的折彎，使得約瑟夫森觸點得以形成。與之相反，在襯底處取向的外延生長時，在階梯角 Θ <45,優(yōu)選<19°時，沒有在階梯邊緣處形成晶界，使得在此沒有形成約瑟夫森觸點。此 夕卜，利用優(yōu)選薄的反向外延中間層確保了，不僅a軸而且b軸位于解理面中，并且在兩維中 通過該層的電流傳輸?shù)靡院喕?。利用平面?nèi)紋理化，對a軸和b軸的控制是可能的。
[0018] 有利的是，反向外延緩沖層具有10納米或者更小的厚度，優(yōu)選具有1納米或者更 小的厚度并且特別優(yōu)選的是，具有〇. 5納米或者更小的厚度。只要該紋理化部位于襯底中 或者反向外延緩沖層與該襯底之間的另一層中，則通過該小的層厚度來確保，在解理面中， 該紋理化部還能夠?qū)TSL層的晶體取向有顯著的影響。
[0019] 有利的是，解理面中的反向外延緩沖層的每個晶格常數(shù)距高溫超導層(功能層）的 層面中晶格常數(shù)a和b比該層的晶格常數(shù)c的每個整數(shù)倍數(shù)或者約數(shù)更近。由此避免了 HTSL層的c軸在反向外延緩沖層的層面中取向。
[0020] 在特別有利的擴展方案中，對反向外延緩沖層進行紋理化。于是，該紋理化部與 HTSL層直接接觸并且在該層面中在其晶體定向上最大地產(chǎn)生。
[0021] 替換地，或者也與之結(jié)合，在本發(fā)明的另一特別有利的擴展方案中，在該襯底與反 向外延緩沖層之間或者在反向外延緩沖層與高溫超導層(功能層）之間設置另一紋理化緩 沖層。于是這兩個緩沖層的功能彼此分離并且能夠獨立于彼此進行優(yōu)化。為了使紋理化緩 沖層對該解理面中HTSL層的晶體取向的影響相比反向外延緩沖層的影響占優(yōu)勢，該紋理 化緩沖層有利地比反向外延緩沖層厚至少20%，優(yōu)選厚至少50%并且特別優(yōu)選厚至少100%。 然而有利的是，它同時具有10納米或更小的厚度，優(yōu)選具有1納米或更小的厚度，并且特別 優(yōu)選具有〇. 5納米或更小的厚度，以便未完全迫使反向外延緩沖層對c軸取向的影響退出。
[0022] 該紋理化緩沖層還能夠作為唯一的緩沖層直接設置在襯底與HTSL層之間，尤其 是當HTSL層的c軸在沒有反向外延緩沖層的情況下也垂直于解理面定向時。即便在這種 情況下，該紋理化緩沖層然而也有利地厚度不超過10納米。在較厚的情況下，銳利的階梯 邊緣變圓，使得HTSL層中的隧道勢壘變得較低并且為此變得較寬。由此，其不再作為約瑟 夫森觸點的弱鏈接出現(xiàn)。
[0023] 該緩沖層的正常晶體結(jié)構(gòu)就已能足夠作為紋理化部。為此，該緩沖層在其層面中 有利地具有如下晶格常數(shù)，所述晶格常數(shù)處于HTSL層沿著待定向的軸（a和/或b)的晶格 常數(shù)的90%和100%之間。完成該任務的緩沖層的示例是Ce0 2。CeO2在釔穩(wěn)定的二氧化鋯 YSZ上外延生長，釔穩(wěn)定的二氧化鋯YSZ又在MgO上外延生長。由此，其在該解理面中的晶 體取向垂直地朝向該階梯邊緣，并且它將該取向傳遞到Y(jié)BCO的a軸上。為了在沒有附加紋 理化部的情況下也能夠以這種方式產(chǎn)生緩沖層，不允許HTSL層的晶格常數(shù)c是沿著待定向 的軸（a和/或b)的晶格常數(shù)的整數(shù)倍。否則，能夠替代a軸和/或b軸，c軸沿著緩沖層 定向。
[0024] 有利的是，該紋理化部包括平均高度或深度在1納米和10納米之間、優(yōu)選在1納 米和5納米之間的突起部和/或凹部。在該層面中，該紋理化部的過小特征不再重現(xiàn)地朝 著HTSL層的定向產(chǎn)生。在過大特征的情況下，HTSL層的a軸取向的晶粒能夠生長。
[0025] 有利的是，該襯底在階梯邊緣處的曲率半徑是10納米或更小，優(yōu)選是5納米或更 小，特別優(yōu)選是1納米或更小。于是，當在HTSL層與該襯底之間設置一個或多個緩沖層時， 然后，襯底表面中的折彎在該位置還構(gòu)成用于HTSL層的足夠強的激勵、晶界并且因而構(gòu)成 約瑟夫森觸點的弱鏈接。理想情況下，該折彎如此銳利，使得在該HTSL層中在兩個晶粒之 間構(gòu)成線形界面，其取向在其c軸上彼此不同。
[0026] 在本發(fā)明另一有利擴展方案中，該階梯邊緣將平坦表面區(qū)域與彎曲的表面區(qū)域分 離。有利的是，于是彎曲區(qū)域的曲率半徑為10納米或更大，優(yōu)選為100納米或更大，并且特 別優(yōu)選為1微米或更大。該HTSL層于是以滑梯形式越過階梯邊緣走向。因而確保，該HTSL 層通過階梯邊緣僅構(gòu)成一個晶界并且因而僅構(gòu)成一個弱鏈接。如果它們構(gòu)成兩個或更多串 聯(lián)的弱鏈接，則該組件并非用作約瑟夫森觸點。其原因是，兩個晶粒的晶體取向之間的角Θ 對于多個串聯(lián)的弱鏈接而言通常是有區(qū)別的。如果與之相反對于多個串聯(lián)的弱鏈接實現(xiàn)使 該角Θ相同，則來自這些弱鏈接的串聯(lián)電路能夠用作有效約瑟夫森觸點。
[0027] 在另一有利擴展方案中，這一點能夠通過如下方式來實現(xiàn)：該階梯以第一取向?qū)?襯底的兩個平坦區(qū)域分離并且相對于這些平坦區(qū)域如此傾斜，使得在這些平坦區(qū)域上該高 溫超導功能層采用該襯底的在該階梯的區(qū)域內(nèi)恒定的另一晶體取向。此外，在該擴展方案 中，必須放棄反向外延緩沖層，因為該功能層的c軸的定向能夠恰好通過該襯底來控制。
[0028] 有利的是，該襯底表面在其階梯邊緣處折成20°與60°之間、優(yōu)選30°與50°之 間并且特別優(yōu)選35°與45°之間的角。40°的折角尤其引起HTSL層的在晶界處相遇的兩 個晶粒的c軸之間的最佳角Θ。
[0029] 有利的是，該紋理化部是矩形的或者線形的。線形的紋理化部能夠在每個晶粒處 使a軸或b軸取向，矩形的紋理化部能夠在每個晶粒處使兩個軸取向。
[0030] 如下每種材料適合于作為用于HTSL層的材料，所述材料中，超導電子對的波動函 數(shù)如所描述的那樣各向異性傳播并且晶界對于該波動函數(shù)的傳播而言是局部勢壘。因而， 除了 YBCO之外，所有其他氧化的高溫超導體是適合的。
[0031] 在具有給定厚度的HTSL層的所給定臨界電流密度J。的情況下，得出能夠流經(jīng)具 有特定寬度的橫向結(jié)構(gòu)的臨界電流I。為I。=J?！穼挾取泛穸取Ｒ蚨?，在具有所定義I。的組件 中，HTSL層被橫向結(jié)構(gòu)化，例如以具有所定義寬度的橋的形式，所述橋延伸越過階梯邊緣。 對于一個這種類型的橋，用于THz輻射的探測器和發(fā)生器或者RF-SQUID能夠?qū)崿F(xiàn)，對于兩 個橋，還能夠?qū)崿F(xiàn)DC-SQUID。因而，本發(fā)明還涉及用于THz輻射的探測器和發(fā)生器以及具 有根據(jù)本發(fā)明組件的SQUID。所述SQUID能夠利用流變換器、例如在德國專利申請10 2009 025 716. 0的意義上擴展到高度敏感的磁力計和/或梯度計。
[0032] 在此所描述的、在階梯邊緣處產(chǎn)生晶界以及該層的晶體取向相對于該晶界朝向階 梯邊緣的兩側(cè)的基本原理能夠完全一般性地使用。例如，能夠使得晶體氧化層之間的隧道 勢壘的鐵磁、鐵電以及多鐵性特性可用于新穎類型的電子組件。
[0033] 在本發(fā)明的特別有利地另一擴展方案中，該襯底被紋理化，并且在該襯底與高溫 超導功能層之間設置由功能層材料制成的另一胚層。通過該紋理化部，在階梯邊緣的兩側(cè) 上在胚層的層面中a晶軸和/或b晶軸定向成以直至最高10°的偏差垂直于晶界。同時， 在胚層與高溫超導功能層之間設置阻擋層，所述阻擋層對于該襯底的至少一種金屬元素或 半導體元素而言是不可通過的。之前關(guān)于紋理化部所描述的內(nèi)容對于該紋理化部而言同樣 適用。
[0034] 在該擴展方案的意義上不可通過理解為，襯底的所述元素在阻擋層材料中的擴散 速度比在胚層和/或功能層的材料中慢至少一個數(shù)量級。
[0035] 已知（Hao et al, ,,MicrosfruOture and magnesium diffusion in YBa2Cu3C^s d fitms on Werystal MgO substrates' Journal of Applied Physics 91 (11}, 9251-9254《2002)),來自襯底的 特定金屬元素或者半導體元素能夠降低生長在這種襯底上的功能層的質(zhì)量，其方式是它們 與功能層的材料反應和/或?qū)⑷毕菀牍δ軐又?。作為這種干擾性元素的示例，尤其提及 鎂、鋁以及硅。然而，鎂、鋁以及硅的氧化物恰好由于其合適的晶格常數(shù)、小的介電常數(shù)以及 低廉的價格而是用于生長例如作為高溫超導體的YBCO的優(yōu)選襯底。通過該阻擋層，現(xiàn)在能 夠克服如下缺點：這類襯底污染功能層。
[0036] 如果現(xiàn)在如Hao等人所建議地將阻擋層直接施加到該襯底上，則其晶體結(jié)構(gòu)取決 于該襯底的晶體結(jié)構(gòu)，并且不取決于其紋理化部；不產(chǎn)生圖形外延。因而，在功能層中結(jié)晶 取向朝向階梯邊緣兩側(cè)的根據(jù)本發(fā)明的取向被失去。由于該原因，設置胚層，所述胚層能夠 直接或者間接通過反向外延緩沖層施加到該襯底上。與沒有阻擋層和胚層時根據(jù)本發(fā)明的 組件中的功能層完全類似，胚層的取向通過圖形外延朝著階梯邊緣的兩側(cè)定向，使得在階 梯邊緣處形成晶界。通過這種方式確定的取向由阻擋層采用并且轉(zhuǎn)交給該功能層。因而， 最終，功能層一如繼往地間接通過襯底的紋理化部來定向。然而，同時通過該阻擋層來保護 該功能層免受來自襯底的金屬污染物或半導體污染物的侵入影響。
[0037] 有利的是，將胚層構(gòu)成為常導的。在該擴展方案的意義上，將其理解為，其超導特 性比功能層的超導特性至少差一個數(shù)量級。由于胚層由與功能層相同的材料制成，所以，原 則上它同樣是高溫超導的。然而，在該擴展方案中，有意地在胚層中抑制高溫超導，因而胚 層沒用形成用于超電流、與功能層的競爭性通道。這種競爭性通道能夠?qū)е略肼暡⑶腋蓴_ 該組件的功能。該超導性能夠例如通過如下方式得到抑制：胚層設計為非常薄。胚層然后 完全由來自襯底的金屬和/或半導體污染；在該胚層中不再存在未污染的通道，超電流還 能夠沿著該通道流動。因而，該胚層有利地具有最高50納米、優(yōu)選在5納米與20納米之間 的厚度和/或最高為功能層厚度的1/3的厚度。在發(fā)明人的實驗中，10納米的厚度被證明 是最優(yōu)的。
[0038] 有利的是，該阻擋層具有1納米與1微米之間的厚度，優(yōu)選在10納米與100納米 之間的厚度，并且特別優(yōu)選在20納米與40納米之間的厚度。因而造成1納米的下限，使得 由高溫超導材料、例如YBCO制成的胚層的典型階梯高度是1納米并且對所有階梯的完全覆 蓋是必需的，以便來自襯底的金屬或者半導體污染物通過胚層到功能層中的擴散能夠得到 抑制。因而造成1微米的上限，使得該阻擋層具有與功能層和/或襯底不同的熱膨脹系數(shù)。 這些層必須分別在高溫下生長。阻擋層越厚，則阻擋層和其余層之間的機械壓力導致層堆 疊損壞的風險越大。此外，值得期望的是，利用阻擋層在層堆疊中引入盡可能少的缺陷并且 阻擋層的制造不需要比較多的時間。該阻擋層通常僅以每小時大約30納米來生長。30納 米厚度的阻擋層可靠地覆蓋位于其下的胚層晶界并且因而確保沿著該晶界沒有可沿其將 來自襯底的金屬或者半導體污染物擴散到功能層中的通道。
[0039] 有利的是，該阻擋層具有鈣鐵石結(jié)構(gòu)。通過使大多數(shù)高溫超導功能層、尤其是YBCO 同樣具有鈣鐵石結(jié)構(gòu)，于是確保由胚層圖形外延地采用的結(jié)晶定向到功能層中的最優(yōu)傳 遞。尤其是SrTi03、LaAlO 3以及NdGaO3適合作為用于阻擋層的材料。
[0040] 在本發(fā)明的范圍內(nèi)，還開發(fā)了一種用于從在其表面具有至少一個階梯邊緣的襯底 制造具有約瑟夫森觸點的組件的方法。在此，高溫超導層(功能層)施加在該表面上，以便它 們延伸到階梯邊緣的兩側(cè)。該方法特別適合于制造根據(jù)本發(fā)明的組件。因而，對于根據(jù)本 發(fā)明的組件所給出的公開加上必要的變更在表達上也適用于該方法。
[0041] 根據(jù)本發(fā)明，對襯底紋理化和/或在該襯底上施加紋理化的緩沖層。接著，將高溫 超導層(功能層）施加在該圖形外延的通路中，以便其在階梯邊緣處構(gòu)成晶界并且其a軸和 /或b軸通過該紋理化部定向成以直至最高10°的偏差垂直于該晶界。
[0042] 將認識到，恰恰通過該圖形外延能夠?qū)崿F(xiàn)層生長，其中，a軸和/或b軸均質(zhì)地垂 直于該晶界定向。該圖形外延開始于：首先在該紋理化部的邊緣和角落形成其取向經(jīng)常與 襯底的晶體結(jié)構(gòu)無關(guān)的島。該紋理化部因而引起這些島與它們按照哪種序列在哪里構(gòu)成無 關(guān)地統(tǒng)一取向。如果這些島被完善成一個層，則由各個島的短程有序構(gòu)成了該層的長程有 序。該共同的長程有序在最初也檢測錯誤取向或者根本未取向生長的島。
[0043] 在生長YBCO以及具有層狀晶體結(jié)構(gòu)的其它氧化的高溫超導體（HTSL)時，在該表 面上的生長動力以及能量關(guān)系有助于具有（100)、（010)以及（001)取向的表面的島（小平 面)的構(gòu)成。這些島的[100]以及[010]軸朝向該表面的、向其上施加 HTSL的邊緣、突起部 或凹部。如果將具有垂直地朝階梯邊緣取向的這類特征的紋理化部引入該襯底中或者引入 施加在襯底與HTSL之間的緩沖層中，則首先這些島能夠朝著階梯邊緣取向并且之后整個 層的a軸和/或b軸能夠朝向階梯邊緣取向并且因而朝向晶界取向。
[0044] 例如，YBCO能夠施加到MgO或者YSZ上。從YBCO到MgO和/或YSZ的晶格失調(diào) 為9%和/或4%。晶格失調(diào)越大，則所生長的HTSL層的表面能量越大。由此，與能量最小值 不對應的那些表面配置相對于該最小值所具有的勢能也上升。該勢能又是用于再取向的驅(qū) 動力。因而，在晶格失調(diào)較大的情況下，實現(xiàn)單晶生長變得更加困難，然而，借助于圖形外延 生長變得更加容易。
[0045] 為了制造根據(jù)本發(fā)明的、按照具有胚層以及阻擋層的擴展方案的組件，開發(fā)了備 選方法，該方法的特征在于方法步驟的其它序列。在該方法開始時，對襯底進行紋理化。接 著，由功能層材料制成的胚層被施加在圖形外延的通路中，使得該胚層在階梯邊緣處構(gòu)成 晶界并且其a軸和/或b軸通過該紋理化部定向成以直至最高10°的偏差垂直于晶界。因 而，該胚層恰好已經(jīng)獲得了在結(jié)束時功能層應該獲得的結(jié)晶取向。
[0046] 通過接著將對于襯底的至少一種金屬或者半導體元素不可通過的阻擋層外延地 施加到胚層，該胚層的結(jié)晶取向被傳遞到阻擋層中。通過接著又將高溫超導功能層外延地 施加到阻擋層，將相同的結(jié)晶取向傳遞到最終的功能層中。
[0047] 因而，最終，該功能層在階梯邊緣處也構(gòu)成晶界，并且其a軸和/或b軸定向成以 直至最高10°的偏差垂直于晶界。用于該定向的源結(jié)果是襯底的紋理化部；然而，該取向 通過胚層和阻擋層傳遞。
[0048] 在本發(fā)明的特別有利的擴展方案中，高溫超導層(功能層）或者胚層的c軸的取向 與襯底的取向退稱，其方式是通過在施加高溫超導層(功能層）或者胚層之前施加反向外延 緩沖層，所述反向外延緩沖層是非晶體的或者具有與襯底和/或高溫超導層（功能層）和/ 或胚層不外延兼容的晶體結(jié)構(gòu)。在此，反向外延緩沖層本身能夠被紋理化。然而，反向外延 緩沖層也能夠施加在襯底和紋理化緩沖層之間或者施加在紋理化緩沖層與HTSL層（功能 層）和/或胚層之間。如果HTSL層(功能層）和/或胚層的c軸與襯底的取向退稱，則其取 向單單取決于HTSL層和/或胚層本身的能量關(guān)系。因而，c軸垂直于解理面的取向是優(yōu)選 的。
[0049] 一種備選是，放棄反向外延緩沖層，而是繼續(xù)使用該紋理化部和/或紋理化的層 以及必要時使用阻擋層。在沒有反向外延緩沖層的情況下，HTSL層(功能層)和/或胚層的 c軸取決于襯底的晶體結(jié)構(gòu)。在具有作為HTSL層(功能層）的YBCO和/或胚層的MgO襯底 的示例中，存在c軸的兩個優(yōu)選取向：0度(立方體("cube-on-cube")）以及45度。如果該 階梯以朝著襯底的平坦區(qū)域比19度更陡峭的角延伸，則在該階梯的區(qū)域中構(gòu)成45度取向 以及在平坦區(qū)域中構(gòu)成0度取向。因而，在該階梯在兩個平坦區(qū)域之間的過渡部處分別構(gòu) 成晶界，在所述晶界處該功能層的晶體取向分別改變角Θ =45度。在這種情況下，在該胚層 上的阻擋層也仍然是值得期望的，以便減少或避免HTSL層(功能層)的污染。在該擴展方案 中形成的、具有以晶體取向的分別Θ =45度的角改變的兩個晶界(弱鏈接）的約瑟夫森觸點 具有較小的機械壓力以及小角晶界并且因而能夠與僅由一個晶界構(gòu)成的約瑟夫森觸點相 比有利地提供較小的固有噪聲。為此，該階梯應該有利地未彎曲地(滑梯狀地)延伸，而是在 其朝著襯底的平坦區(qū)域的上過渡部和下過渡部分別具有邊緣。這也涉及THz輻射的探測器 和發(fā)生器的制造以及基于這種約瑟夫森觸點的SQUID的制造。
[0050] 為了制造邊緣，存在兩種不同方法。分別被干蝕刻并且將施加在襯底的部分區(qū)域 中的光致抗蝕劑層用作掩膜。
[0051] 在第一種方法中，用于干蝕刻的離子束輻射到襯底與光致抗蝕劑層的邊緣之間所 圍住的角中。于是，階梯邊緣的角由蝕刻時間來確定。該方法尤其當在階梯的上邊緣處形 成銳利邊緣并且該階梯否則應滑梯性地變圓延伸時是有利的。
[0052] 在第二種方法中，用于干蝕刻的離子束輻射越過光致抗蝕劑層的上邊緣到該襯底 表面上。該階梯邊緣的角于是由離子束與襯底表面所圍住的角來確定。由此，能夠更好地 控制該角。當應該產(chǎn)生在晶體取向之間具有相同角Θ的兩個晶界時，該方法是有利的。
[0053] 具體描述部分 下面根據(jù)附圖來描述本發(fā)明的主題，而沒有由此限制本發(fā)明的主題。
[0054] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明、具有兩個緩沖層的組件的實施例。
[0055] 圖2示出根據(jù)本發(fā)明、僅具有一個緩沖層的組件的實施例。
[0056] 圖3示出紋理化的襯底的AFM記錄。
[0057] 圖4示出由MgCO3制成的反向外延緩沖層上的YBCO層的AFM記錄,所述反向外延 緩沖層又施加在紋理化的MgO襯底上。
[0058] 圖5示出在太厚的反向外延緩沖層上生長的YBCO層的電子顯微鏡記錄。
[0059] 圖6示出在相比圖5較薄的反向外延緩沖層上生長的YBCO層的電子顯微鏡記錄。
[0060] 圖7以示意圖示出根據(jù)本發(fā)明、具有阻擋層和胚層的組件的實施例。
[0061] 圖8示出在圖7中描繪的實施例的電子顯微鏡橫截面記錄。
[0062] 圖9示出沒有阻擋層和胚層（a)以及具有阻擋層和胚層（b)的兩個根據(jù)本發(fā)明的 組件的功能層的電子顯微鏡俯視圖。
[0063] 圖10示出YBCO層的電子顯微鏡記錄，所述YBCO層具有紋理化部以及YBCO胚層 以及SrTiO 3阻擋層，然而沒有反向外延緩沖層在MgO襯底的45度階梯上生長。
[0064] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的組件的實施例。在由MgO制成的、具有通過離子束蝕刻清 潔的表面的襯底I. 1上，存在紋理化的、大約10納米厚的同質(zhì)外延MgO緩沖層1. 2。通過 對襯底的清潔，非晶體層從其表面去除；這使得能夠?qū)崿F(xiàn)同質(zhì)外延生長。通過緩沖層1. 2的 粗糙島狀結(jié)構(gòu)，自動預給定紋理化部。在同質(zhì)外延緩沖層1. 2上存在大約0. 5納米厚的、由 MgCO3制成的反向外延緩沖層1. 3。該反向外延緩沖層1. 3使施加在其上的、大約150納米 厚的YBCO層(功能層)1. 4的c軸的取向與襯底I. 1的影響退耦。該c軸因而在各處垂直于 YBCO層1.4的表面。同時，使a軸和b軸在同質(zhì)外延MgO層的矩形島狀結(jié)構(gòu)(紋理化部)處 取向。該非晶體MgCO3緩沖層能夠利用不同的沉積方法來制造。例如，MgCO 3能夠利用MgO 在CO2等離子體中或者在有機液體、例如丙酮中的短時化學反應來構(gòu)成。然而，當然也能夠 通過使MgO表面暴露于空氣來生長。替代MgCO 3，也能夠使用0. 5納米至1納米厚的CeO2層 作為反向外延緩沖層。
[0065] 襯底I. 1具有銳利的階梯邊緣。該階梯邊緣促使YBCO層1. 4構(gòu)成晶界1. 5。晶界 1. 5構(gòu)成用于約瑟夫森觸點的弱鏈接。該階梯邊緣使襯底I. 1的平坦表面區(qū)域與彎曲延伸 的區(qū)域分離，彎曲延伸的區(qū)域又持續(xù)過渡到其它平坦區(qū)域中。在此，曲率半徑分別足夠大， 使得YBCO層(功能層）1. 4沒有構(gòu)成其它晶界。
[0066] 緩沖層1. 2的紋理化部具有垂直于襯底I. 1的階梯邊緣的優(yōu)選方向。因而，YBCO 層1. 4的a軸和/或b軸分別垂直于晶界1. 5朝向階梯邊緣的兩側(cè)取向。因而，通過晶界 1. 5能夠在常導狀態(tài)下對于最大電阻Rn傳輸最大超電流I。。
[0067] YBCO層1. 4在解理面中的橫向結(jié)構(gòu)化在圖1中未標出，其中該具體組件從該層形 成所述解理面。
[0068] 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的組件的其它實施例。在襯底2. 1上施加反向外延層2. 2,所 述反向外延層2. 2同時被紋理化。因而，所述反向外延層2. 2在其紋理化期間使施加在其 上的YBCO層（功能層）2. 3的c軸的取向與襯底2. 1的影響退耦，同時YBCO層2. 3的a軸 朝晶界2. 4的方向取向。造成晶界2. 4的原因是襯底2. 1中的階梯邊緣。YBCO層(功能層） 2. 3在該具體組件從該層形成的解理面中的橫向結(jié)構(gòu)化在圖2中未標出。
[0069] 圖3不出紋理化的襯底的AFM記錄。部分圖a是地形記錄，部分圖b不出相位信 號，其中地形特征不是高度忠實但對此而言清楚地顯現(xiàn)。部分圖c是由地形記錄中獲取的、 在直接靠近階梯邊緣處的行掃描。
[0070] 在圖3c中的行掃描中，標出4個點1-4。下列表格在對角線的上方給出了從一個 點到其它點的橫向間距以及在對角線的下方給出了從一個點到其它點的高度差異：

【權(quán)利要求】
1. 一種具有約瑟夫森觸點的組件，所述組件包括襯底以及設置在所述襯底上、由高溫 超導材料制成的功能層，其中所述襯底在其表面中具有至少一個階梯邊緣，其中所述層在 所述階梯邊緣處具有晶界，所述晶界構(gòu)成所述約瑟夫森觸點的弱鏈接，其特征在于： 在所述階梯邊緣的兩側(cè)上在所述高溫超導功能層的層面中通過所述襯底的紋理化部 和/或設置在所述襯底和所述高溫超導功能層之間的至少一個緩沖層的紋理化部來將a晶 軸和/或b晶軸定向成以直至最高10°的偏差垂直于所述晶界。
2. -種具有約瑟夫森觸點的組件，所述組件包括襯底以及設置在所述襯底上、由高溫 超導材料制成的功能層，其中所述襯底在其表面中具有至少一個階梯邊緣，其中所述層在 所述階梯邊緣處具有晶界，所述晶界構(gòu)成所述約瑟夫森觸點的弱鏈接，其特征在于： 所述高溫超導功能層圖形外延地在紋理化的襯底上生長和/或在設置在所述襯底和 所述高溫超導功能層之間的紋理化的緩沖層上生長，其中，通過所述紋理化部，在所述階梯 邊緣的兩側(cè)上在所述高溫超導功能層的層面中將a晶軸和/或b晶軸定向成以直至最高 10°的偏差垂直于所述晶界。
3. 如權(quán)利要求1至2中任一項所述的組件，其特征在于，在所述高溫超導功能層與所 述襯底之間設置反向外延緩沖層，其中所述反向外延緩沖層是非晶體的或者具有不與所述 襯底和/或所述高溫超導功能層外延兼容的晶體結(jié)構(gòu)，從而使所述高溫超導功能層的c軸 以直至最高10°的偏差垂直于所述層的表面。
4. 如權(quán)利要求3所述的組件，其特征在于，所述反向外延緩沖層具有10納米或者更 小的厚度，優(yōu)選具有1納米或者更小的厚度并且特別優(yōu)選的是，具有〇. 5納米或者更小的厚 度。
5. 如權(quán)利要求3-4中任一項所述的組件，其特征在于，所述解理面中的反向外延緩沖 層的每個晶格常數(shù)距所述高溫超導功能層的層面中晶格常數(shù)a和b比所述層的晶格常數(shù)c 的每個整數(shù)倍數(shù)或者約數(shù)更近。
6. 如權(quán)利要求3-5中任一項所述的組件，其特征在于，所述反向外延緩沖層被紋理 化。
7. 如權(quán)利要求3-6中任一項所述的組件，其特征在于，在所述襯底與所述反向外延緩 沖層之間或者在所述反向外延緩沖層與所述高溫超導功能層之間設置另一紋理化的緩沖 層。
8. 如權(quán)利要求1-7中任一項所述的組件，其特征在于，紋理化的緩沖層作為唯一的緩 沖層直接設置在所述襯底與所述高溫超導功能層之間。
9. 如權(quán)利要求7所述的組件，其特征在于，所述紋理化的緩沖層比所述反向外延緩沖 層厚至少20%，優(yōu)選厚至少50%并且特別優(yōu)選厚至少100%。
10. 如權(quán)利要求7-9中任一項所述的組件，其特征在于，所述紋理化的緩沖層具有10 納米或更小的厚度，優(yōu)選具有1納米或更小的厚度，并且特別優(yōu)選具有〇. 5納米或更小的厚 度。
11. 如權(quán)利要求7-10中任一項所述的組件，其特征在于，所述紋理化的緩沖層在其層 面中具有如下晶格常數(shù)，所述晶格常數(shù)在所述高溫超導功能層在所述解理面中沿著其軸a 或b的晶格常數(shù)的90%和100%之間。
12. 如權(quán)利要求7-11中任一項所述的組件，其特征在于，所述紋理化部包括平均高度 或深度在1納米和10納米之間、優(yōu)選在1納米和5納米之間的突起部和/或凹部。
13. 如權(quán)利要求1-12中任一項所述的組件，其特征在于，所述襯底在所述階梯邊緣處 的曲率半徑是10納米或更小，優(yōu)選是5納米或更小，特別優(yōu)選是1納米或更小。
14. 如權(quán)利要求1-13中任一項所述的組件，其特征在于，所述階梯邊緣將平坦表面區(qū) 域與彎曲的表面區(qū)域分離。
15. 如權(quán)利要求14所述的組件，其特征在于，所述彎曲區(qū)域的曲率半徑為10納米或更 大，優(yōu)選為100納米或更大，并且特別優(yōu)選為1微米或更大。
16. 如權(quán)利要求1-14中任一項所述的組件，其特征在于，所述階梯以第一取向?qū)⑺?襯底的兩個平坦區(qū)域分離并且相對于所述平坦區(qū)域如此傾斜，使得在所述平坦區(qū)域上所述 高溫超導功能層采用所述襯底的另一、然而在所述階梯的區(qū)域內(nèi)恒定的晶體取向。
17. 如權(quán)利要求1-16中任一項所述的組件，其特征在于，所述襯底的表面在所述階梯 邊緣處折成20°與60°之間、優(yōu)選30°與50°之間并且特別優(yōu)選35°與45°之間的角。
18. 如權(quán)利要求1-17中任一項所述的組件，其特征在于，所述紋理化部是矩形的或者 線形的。
19. 如權(quán)利要求1-18中任一項所述的組件，其特征在于，所述襯底被紋理化，并且在 所述襯底與所述高溫超導功能層之間設置由所述功能層的材料制成的另一胚層，其中通過 所述紋理化部，在所述階梯邊緣的兩側(cè)上在所述胚層的層面中將a晶軸和/或b晶軸定向 成以直至最高10°的偏差垂直于所述晶界并且在所述胚層與所述高溫超導功能層之間設 置阻擋層，所述阻擋層對于所述襯底的至少一種金屬元素或半導體元素而言是不可通過 的。
20. 如權(quán)利要求19所述的組件，其特征在于，所述胚層構(gòu)成為常導的。
21. 如權(quán)利要求19-20中任一項所述的組件，其特征在于，所述胚層具有最高50納米、 優(yōu)選在5納米與20納米之間的厚度。
22. 如權(quán)利要求19-21中任一項所述的組件，其特征在于，所述胚層具有最高為所述 功能層厚度1/3的厚度。
23. 如權(quán)利要求19-22中任一項所述的組件，其特征在于，所述阻擋層具有1納米與1 微米之間的厚度，優(yōu)選在10納米與100納米之間的厚度，并且特別優(yōu)選在20納米與40納 米之間的厚度。
24. 如權(quán)利要求19-23中任一項所述的組件，其特征在于，所述阻擋層具有鈣鐵石結(jié) 構(gòu)。
25. 用于THz-輻射的探測器或者發(fā)生器或者超導量子干涉器件、SQUID，其特征在于， 至少一個如權(quán)利要求1-24中任一項所述的組件。
26. -種用于從襯底制造具有約瑟夫森觸點的組件的方法，所述襯底在其表面中具有 至少一個階梯邊緣，其中將高溫超導功能層施加在所述表面上，使得它們延伸到所述階梯 邊緣的兩側(cè)，其特征在于： 對所述襯底紋理化和/或在所述襯底上施加紋理化的緩沖層并且接著，將所述高溫超 導功能層施加在所述圖形外延的通路中，以便所述高溫超導功能層在所述階梯邊緣處構(gòu)成 晶界并且其a軸和/或b軸通過所述紋理化部定向成以直至最高10°的偏差垂直于所述晶 界。
27. -種用于從襯底制造具有約瑟夫森觸點的組件的方法，所述襯底在其表面中具有 至少一個階梯邊緣，其中將高溫超導功能層施加在所述表面上，使得它們延伸到所述階梯 邊緣的兩側(cè)， 其特征在于以下方法步驟： ?對所述襯底進行紋理化； ?接著，由所述功能層的材料制成的胚層被施加在所述圖形外延的通路中，使得所述胚 層在所述階梯邊緣處構(gòu)成晶界并且其a軸和/或b軸通過所述紋理化部定向成以直至最高 10°的偏差垂直于所述晶界； ?接著將阻擋層外延地施加到所述胚層，所述阻擋層對于所述襯底的至少一種金屬元 素或半導體元素而言是不可通過的； ?接著所述高溫超導功能層外延地施加到所述阻擋層。
28. 如權(quán)利要求26-27中任一項所述的方法，其特征在于，所述高溫超導功能層或者 所述胚層的c軸的取向與所述襯底的取向退耦，其方式是通過在施加所述高溫超導功能層 或者所述胚層之前施加反向外延緩沖層，所述反向外延緩沖層是非晶體的或者具有不與所 述襯底和/或所述高溫超導功能層和/或胚層外延兼容的晶體結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01L39/22GK104350623SQ201380018049
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月4日
【發(fā)明者】M.法利 申請人:于利奇研究中心有限公司