Brevet FR2675951A1 — publié le 19921030

STRUCTURE DE JONCTION JOSEPHSON La présente invention concerne la structure d'une jonction Josephson, comportant une barrière non supraconductrice en sandwich entre deux couches supraconductrices La structure de l'invention rend plus aisée la réalisation d'une jonction Josephson, en permettant de profiter de plus fortes longueurs de cohérence avec les matériaux dits supraconducteurs à haute température critique (SHTC) L'effet Josephson est un effet lié aux supraconducteurs, selon lequel un courant supraconducteur, ou supracourant, peut traverser une barrière entre deux supraconducteurs Si la barrière est isolante ou semiconductrice, son épaisseur doit être d'ordre de la longueur de cohérence Si la barrière est un métal normal, son épaisseur maximale dépend de la longueur de cohérence dans le supraconducteur et du libre parcours moyen électronique dans le métal. Une jonction Josephson est constituée par une barrière de matériau isolant entre deux couches de supraconducteurs si la couche de matériau normal est assez fine, et d'épaisseur au plus égale à la somme des longueurs de cohérence des deux couches de matériaux supraconducteurs, alors un supracourant traverse cette couche de matériau isolant. En fait, il est très délicat de réaliser une jonction Josephson car, selon la nature du matériau non supraconducteur (métal, semiconducteur, isolant), la couche barrière a une épaisseur comprise entre 0,3 et O, 5 nm Il est très difficile d'obtenir une telle barrière d'épaisseur régulière, homogène et sans court-circuits. Dans le cas o les supraconducteurs sont des oxydes de cuivre, de baryum et de terre rare, de la famille connue sous le nom Y Ba Cu O, l'invention apporte un perfectionnement à la réalisation d'une jonction Josephson, en proposant d'exploiter la plus grande longueur de cohérence des supraconducteurs à haute température critique parallèlement aux plans Cu O saturés, dans le cristal d'Y Ba Cu O Par conséquent, si au moins l'une des deux couches de supraconducteurs, qui sont en contact avec une barrière pour former une jonction Josephson, a ses plans Cu O saturés perpendiculaires à la barrière, la longueur de cohérence dans la barrière est plus grande, ce qui signifie que la barrière peut être réalisée avec une plus forte épaisseur ( 1,5 à 2 nm), donc plus facilement L'invention est applicable à tout autre famille de supraconducteurs anisotropes. L'invention réside donc dans une structure de jonction Josephson, formée par une couche de barrière non supraconductrice située entre deux couches supraconductrices, telle que pour l'une au moins de ces deux dites couches les plans cristallographiques de Cu O sont perpendiculaires à la couche de barrière On peut également considérer que le grand axe, dans la maille cristalline d'Y Ba Cu O, est perpendiculaire aux plans Cu O, et que dans une jonction Josephson selon l'invention, les couches supraconductrices en contact avec la barrière sont déposées de façon que le grand axe de leur maille soit parallèle à la barrière. De façon plus précise, l'invention consiste en une structure de jonction Josephson, formée entre une barrière non supraconductrice et au moins un film en matériau supraconducteur à haute température de la famille (TR) Ba Cu 0, dans laquelle TR est une terre rare, cette jonction étant caractérisée en ce que, en vue d'obtenir une plus forte longueur de cohérence du supracourant dans la barrière, le film de matériau supraconducteur est orienté de façon que le grand axe "c" de sa maille cristalline, qui est perpendiculaire aux plans Cu O, soit parallèle au plan de la jonction avec la barrière. L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui suit de deux exemples de réalisation, en conjonction avec les figures jointes en annexe, qui représentent figure 1 schéma cristallographique d'une molécule de supraconducteur de type Y Ba Cu O figure 2 coupe d'une jonction Josephson selon l'invention, figure 3 coupe d'une jonction Josephson, dans une variante de l'invention. La figure l donne la répartition spatiale des atomes dans un cristal de l'un de ces matériaux supraconducteurs, à haute température critique, que l'on désigne par commodité les Y Ba Cu O, bien que l'atome d'yttrium Y puisse plus généralement être remplacé par un atome de terre rare, tel que le dysprosium Ces corps cristallisent dans le système orthorhombique Sur le cristal élémentaire de la figure 1, on identifie facilement l'atome de terre rare Y et les deux atomes de baryum Ba Les atomes de cuivre sont représentés par des petits cercles noirs, les atomes d'oxygène par des moyens cercles hachurés et les lacunes par des petits cercles blancs. Le nombre des lacunes dans le cristal dépend du degré d'oxydation, et tous les plans Cu O ne sont pas également oxydés Ainsi, si l'on considère les quatre plans Cu O repérés l à 4, les deux plans centraux 2 et 3 sont saturés en oxygène ( 4 atomes Cu et 4 atomes O chacun) tandis que les deux plans externes l et 4 ne sont pas saturés en oxygène ( 4 atomes Cu, 2 atomes O et 2 lacunes chacun) C'est un fait connu que la conductibilité est plus grande dans les plans saturés 2 et 3 plutôt que dans les plans non saturés i et 4 ou dans les plans orthogonaux repérés 5 et 6 Il est aussi connu que la longueur de cohérence, pour un couple donné supraconducteur/non -supraconducteur, est plus forte parallèlement à ces plans Cu O saturés Corélativement, la longueur de cohérence, pour le même couple, est moins forte parallèlement aux plans repérés 5 et 6. Ce qui signifie qu'une barrière non-supraconducteur dont l'épaisseur se mesure parallèlement aux plans Cu O saturés 2 et 3 peut être plus épaisse donc plus facile à réaliser qu'une barrière dont l'épaisseur serait parallèle aux plans 5 et 6. De façon plus générale, un cristal orthorhombique d'Y Ba Cu O a: un petit axe "a" (a = 3,82 A ) un petit axe "b" (b = 3,89 A ) un grand axe "c" (c = 11,69 A ) qui est parallèle à l'alignement Ba-Y-Ba, et perpendiculaire aux plans Cu O saturés 2 et 3. La longueur de cohérence dans la barrière est plus grande si celle-ci est parallèle à l'axe "c"' de la maille d'Y Ba Cu O. La figure 2 représente une première structure de jonction Josephson selon l'invention Elle comporte un substrat 7, une couche 8 de matériau supraconducteur, première couche d'accès du courant à la jonction Josephson, la jonction Josephson formée par une barrière 10 en contact avec au moins l'une parmi les deux couches supraconductrices 9 et 11, une couche 12 de matériau supraconducteur, seconde couche d'accès du courant à la jonction Josephson. Pour l'ensemble de ces couches les traits qui hachurent les couches représentent les plans parallèles aux plans Cu O saturés, soit encore les plans perpendiculaires aux grands axes "c" des mailles cristallines. Le substrat 7 peut être en titanate de strontium Sr Ti O 3, par exemple, mais, dans cette première structure dite "structure CA", la coupe est parallèle aux plans cristallographiques ( 001), symbolisés par des traits horizontaux sur le substrat 7. Les couches d'accès 8 et 12, en supraconducteur de la famille (TR) Ba 2 Cu 3 o 7 (TR = terre rare) qui s'accorde bien en paramètre de maille avec Sr Ti 03, ont leurs plans Cu O saturés parallèles à la barrière 10, c'est à dire leur axe "c" perpendiculaire à la barrière. Les deux films supraconducteurs 9 et 11, du même type de matériau (TR) Ba 2 Cu 3 O 7, ont au contraire leurs plans Cu O saturés perpendiculaires à la barrière 10, de sorte que la longueur de cohérence dans la barrière, est plus forte que pour une orientation différente L'axe "c" de leur maille cristallographique est ainsi parallèle à la barrière. La barrière 10 est constituée par un film, d'épaisseur de l'ordre de la longueur de cohérence, soit au plus de l'ordre de 1,5 à 2 mm, d'un matériau qui n'est pas un supraconducteur. Dans les barrières de type SNS (supraconducteur-normal-supraconducteur) c'est un métal "normal" tel que l'or ou l'argent Dans les barrières de type SIS (supraconducteur-isolant-spraconducteur), c'est un isolant ou oxyde de terre rare, tel que Ba F 2, Mg O, Zr O 3, Si Ti O 3, oxyde de terre rare, Al Ga O 3, La Ga 03 etc Dans tous les cas, la barrière et le ou les films qui forment la jonction Josephson doivent être accordés en paramètres de maille. Les accès en courant à la jonction Josephson sont pris par deux contacts 13 et 14, sur les couches d'accès 8 et 12. L'interconnexion est préférablement en matériaux supraconducteurs. Une structure légèrement différente est représentée en figure 3 Le nombre, la nature et l'empilement des couches y sont les mêmes qu'en figure 2, mais le substrat y est désorienté d'un angle o(, qui a été exagéré dans le seul but de mettre en évidence que la coupe du substrat n'est plus parallèle au réseau cristallographique. Si l'accord paramètrique de mailles entre le substrat 7 et la couche d'accès 8 est suffisamment bon (c'est le cas entre Sr Ti O 3 et (TR) Ba 2 Cu 3 07), la couche de supraconducteur 8 s'adapte à la désorientation du substrat, de manière à aligner son grand axe "c" avec celui du substrat Ainsi, les plans Cu O saturés dans la couche 8 font un angle c avec la surface du substrat 7, mais aussi avec la surface du film supraconducteur 9: la structure est dite CA désorientée. L'intérêt de cette structure est que la surface du film 9 en contact avec la couche 8 intercepte plusieurs plan d'oxyde de cuivre, par leur extrêmité, ce qui augmente le courant critique au joint entre ces deux couches 8 et 9 En effet, il a été dit, à propos de la figure 1, que la conductibilité est plus grande selon les plans d'oxyde de cuivre 2 et 3 et que la résistivité est plus grande selon les plans 5 et 6 parallèles au grand axe "c" de la maille Il s'ensuit que si les plans Cu O du substrat interceptent les plans Cu O de la couche voisine, le courant critique est plus élevé puisqu'il n'a plus à se propager selon les plans de plus grande résistivité pour passer d'une couche à l'autre. La structure CA désorientée est hors substrat symétrique par rapport à la barrière 10. Les prises de contacts 13 et 14 peuvent être établies directement sur les couches d'accès 8 et 12, comme dans la structure CA Toutefois,, puisque les dites couches ou au moins l'une des deux sont désorientées d'un angle x aux contacts est plus élevé. Pour les matériaux supraconducteurs à haute température critique de la famille des (TR) Ba 2 Cu O, l'épitaxie de films d'orientation cristalline "a" sur "c", ou inversement, est réalisable en raison du bon accord entre le paramètre "cl' et 3 fois le paramètre "a" ( 3 a) d'une maille cristalline. Les structures de jonctions Josephson selon l'invention peuvent être réalisées par plusieurs méthodes de dépôt, dont la technique d'ablation laser et l'épitaxie par jets moléculaires. En ablation laser, les paramètres principaux qui influent sur l'orientation cristalline du film sont la température du substrat et la pression d'oxygène Il en est de même pour les autres techniques de dépôts, car cette orientation est liée à la variation de l'anisotropie de la cinétique de croissance des faces 100 (ou 010) et 001, et des paramètres cristallins en fonction de ces deux paramètres La réalisation de telles épitaxies in-situ garantit une interface abrupte et par là-même un bon transfert des paires d'électrons de Cooper à travers une jonction. L'invention a été décrite, à titre d'exemple, sur une jonction Josephson possédant deux films 9 et 11 de part et d'autre de la barrière 10 Elle s'applique également à des structures de type supraconducteur métal normal, ou supraconducteur isolant métal normal, mais une structure symétrique est préférable pour profiter tout au long de la chaîne du supra-courant. L'invention s'applique à la réalisation de jonctions Josephson pour l'électronique rapide, surtout l'électronique numérique, ainsi qu'à la réalisation de matériels de mesure du champ magnétique, notamment ceux qui sont connus sous le nom de SQUID, c'est à dire Superconducting Quantum Interface Device, en configuration sandwich. Elle est précisée par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1 Structure de jonction Josephson, formée entre une barrière ( 10) non supraconductrice et au moins un film ( 9) en matériau supraconducteur à haute température de la famille (TR) Ba Cu O, dans laquelle TR est une terre rare, cette jonction étant caractérisée en ce que, en vue d'obtenir une plus forte longueur de cohérence du supracourant dans la barrière, le film ( 9) de matériau supraconducteur est orienté de façon que le grand axe 'c" de sa maille cristalline, qui est perpendiculaire aux plans Cu O, soit parallèle au plan de la jonction avec la barrière. 2 Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la barrière ( 10) est en matériau non-supraconducteur de type isolant ou métal normalement conducteur, ou semiconducteur. 3 Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle est supportée par au moins une couche d'accès ( 8) électrique en matériau supraconducteur, et par un substrat ( 7), la couche d'accès ( 8) étant de la même famille (TR) Ba 2 Cu 3 07 que le film ( 9) qui forme la jonction Josephson, et étant orientée de façon que le grand axe "c" de sa maille cristalline soit perpendiculaire au plan de la jonction. 4 Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle est supportée par au moins une couche d'accès ( 8)) électrique en matériau supraconducteur, et par un substrat ( 7), la couche d'accès ( 8) étant de la même famille (Tr) Ba 2 Cu 3 07 que le film ( 9) qui forme la jonction Josephson, et étant orientée de façon que le grand axe "c" de sa maille cristalline soit incliné sur la perpendiculaire à la jonction. Structure selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'au moins un contact électrique ( 13) est pris sur au moins une couche d'accès ( 8) par l'intermédiaire d'un fragment de film ( 15) de même nature et même orientation cristalline que le film ( 9) supraconducteur qui forme la jonction avec la barrière ( 10).