Fabrication and characterization of superconductor YBCO josephson junctions

Abstract

Üstün performanslı, kararlı ve kontrol edilebilen Josephson eklemleri süperiletken elektroniği aygıtlarının temelini oluşturur. Üretimi tekrarlanabilir Josephson eklemleri için uygun bir üretim teknolojisinin geliştirilmesi ve verimli bir şekilde çalıştırılabilmesi için, aygıtların yapısal ve elektriksel karakterizasyonlarının ayrıntılı olarak yapılması gerekmektedir.Bu çalışmada, 24 ve 30 derecelik yönelime sahip çift kristal alttaşlar üzerinde YBCO ince filmlerle grain boundary Josephson eklemlerinin üretimi ve karakterizasyonu amaçlanmıştır.Bu çalışmada kullanılan Josephson eklemleri için 200 nm kalınlığında YBCO ince filmler kullanılmış ve bu filmler magnetron püskürtme yöntemi kullanılarak üretilmiştir. İnce film üretim koşullarının aygıt performansı üzerindeki etkisinin öneminden yola çıkılarak, ince film kalitesinin arttırılması için üretim koşullarında iyileştirme çalışmaları yapılmıştır. Üretilen ince filmlerin özellikleri, direnç-sıcaklık ve manyetik süseptibilite-sıcaklık ölçümleriyle belirlenmiş, yapısal özellikleri ise Atomik Kuvvet Mikroskobu, Taramalı Elektron Mikroskobu ve X-Işını Kırınımı analizleriyle incelenmiştir.İnce filmlere Josephson eklemi formu verilmesi amacıyla fotolitografik desenleme ve kimyasal aşındırma işlemleri uygulanmıştır. Üretilen Josephson eklemleri daha sonra aygıt performanslarına bağlı olarak karakterize edilmiştir. Eklemler kritik akım (Ic), normal durum direnci (Rn) ve IcRn çarpımlarına göre karakterize edilmiş ve bu değerler ince film üretim koşullarında değişlikler yapılarak iyileştirilmeye çalışılmıştır. Eklemlerin akım-gerilim karakterizasyonları sıfır ve sıfırdan farklı manyetik alanlar altında sıvı azot sıcaklığında (77 K) yapılmıştır. Aygıtların termal çevrimlere karşı dayanıklılığını ve performanslarını artırmak amacıyla eklem optimizasyonu çalışmaları yapılmıştır.

A well-controlled, high-yield Josephson junction production process forms the basis of superconducting electronic device and circuit technology. In order to use the Josephson junctions effectively and fabricate them reproducibly, their structural and electrical characterization should be performed.This study concentrates on the fabrication and characterization of high temperature bicrystal grain boundary Josephson junctions fabricated onto 24-dand 30-degree SrTiO3 bicrystal substrates using high quality YBa2Cu3O7-? (YBCO) thin-films.200 nm thick YBCO thin films were deposited using a dc Inverted Cylindrical Magnetron Sputtering technique by investigating the thin film deposition conditions in order to obtain device quality films. The superconducting properties of the thin films were determined by electrical characterizations, consisting of resistance versus temperature and magnetic susceptibility versus temperature measurements. Structural properties were analyzed by Atomic Force Microscope, Scanning Electron Microscope and X-Ray Diffraction.Prepared thin film samples were patterned as bicrystal grain boundary Josephson junctions by standard photolithography and chemical etching processes. The current-voltage characteristics of the Josephson junctions were performed at 77 K under zero and non-zero applied field in magnetically shielded environment. The critical current values (Ic), normal resistance (Rn) and IcRn product of the output signals were determined, and the values were discussed as function of the film growth conditions. The optimization of the Josephson junctions was performed in order to improve both the signal performance and the stability of our devices against thermal cycling.