Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Esempi/Giunzioni Josephson

Si tratta di giunzioni in cui gli elettrodi sono fatti di materiale superconduttore, in genere niobio (NB), con una sottile barriera di ossido di alluminio.

Sotto una temperatura critica Tc(per il Nb 9.2K, per l'Al 1K), i materiali superconduttori presentano le seguenti proprietà:

• Resistenza elettrica nulla
• Comportamento da diamagnetico perfetto, ovvero l'induzione magnetica B è nulla dappertutto all'interno del superconduttore

Queste proprietà scompaiono con la temperatura e in presenza di campi magnetici molto intensi.

Nello stato fondamentale al di sotto di Tc,gli elettroni del superconduttore si legano in coppie(coppie di Cooper) di spin opposto e momento totale nullo. Le coppie trasportano corrente senza resistenza e sono descritte da un'unica funzione d'onda.

In presenza di una barriera molto sottile, le coppie riescono lo stesso a passare per effetto tunnel(effetto Josephson), modificando la fase della funzione d'onda che descrive il sistema. Quindi esiste una supercorrente a tensione nulla.

Gli stati eccitati, costituiti da elettroni provenienti da coppie che si sono dissociate, sono separati dallo stato fondamentale da un gap di energia, tipicamente dell'ordine del millivolt o funzione di millivolt, a seconda del materiale.

La caratteristica corrente-tensione è fortemente non lineare e costituita da due branche:

• Supercorrente a tensione nulla, fino a un valore massimo Ic
• Ramo a tensione diversa da zero, isteretico(percorre due curve diverse all'aumentare e diminuire della corrente)

In figura è rappresentata la caratteristica corrente-tensione di una giunzione Josephson. Si noti il ramo della supercorrente, a tensione nulla, e i versi di percorrenza della caratteristica.

Le giunzioni Josephson sono utilizzate per la realizzazione di diversi dispositivi:

• Magnetometri superconduttori (SQUID)
• Rivelatori di radiazioni e particelle
• Standard di tensione

A seconda delle applicazioni, le giunzioni Josephson sono realizzate in varie dimensioni, che vanno da 0.3 μm a centinaia di μm di lato, con un valore tipico dell'ordine di 1-3 μm.

Fasi del processo

a) Si deposita su tutto il substrato, usando sputtering magnetron, un trilayer (un sandwich) Nb/Al(ossidato)/Nb. Gli spessori tipici sono:

• Nb base:» 200 nm
• Al: 10 nm, poi ossidato esponendolo ad ossigeno a temperatura ambiente; lo strato AlOx risultante è spesso solo pochi Ang
• Nb top: » 30-100 nm

b) Con la litografia si definisce l’area della giunzione, tipicamente dell’ordine dei micron

c) Usando la maschera di resist ottenuta in b), si esegue un etching in RIE per rimuovere la parte esposta dell’elettrodo superiore

d) Senza rimuovere la maschera di resist, si deposita per evaporazione uno strato di ossido di Silicio; la giunzione risulta così isolata con un processo self-allineato (cioè non si devono esguire allineamenti specifici, l’allineamento è ottenuto automaticamente nel processo usato)

e) Eseguendo il lift-off, la giunzione rimane definita e isolata(vedi ovale nella sezione mostrata in figura); seguirà poi uno strato di contattatura, sempre fatto in Nb