Numéro
Rev. Phys. Appl. (Paris)
Volume 9, Numéro 1, janvier 1974
Page(s) 167 - 171
DOI https://doi.org/10.1051/rphysap:0197400901016700
Rev. Phys. Appl. (Paris) 9, 167-171 (1974)
DOI: 10.1051/rphysap:0197400901016700

On the use of low barrier potential materials to improve high frequency coupling to Josephson tunnel junctions

P. Cardinne1, J. Nordman2 et M. Renard3

1  L'Air Liquide, Centre d'Etudes Cryogéniques, BP 15, 38360 Sassenage, France
2  University of Wisconsin, Dept. of Elect. Engr. Madison, Wisconsin 53706, USA
3  Centre de Recherches sur les Très Basses Températures, CNRS avenue des Martyrs, BP 166, 38042 Grenoble, France


Abstract
Improved high frequency coupling to Josephson tunneling junctions must involve impedance transformation techniques or the fabrication of junctions with more appropriate impedance values. Two kinds of calculations about efficiency of junction coupling with a cavity, one with an antenna and another with an inductive loop show clearly the importance of the term Ic r0/Γ where Γ is the capacitance, Ic the critical current and r0 a dimension related to the size of the junction. Several ways may be proposed to increase this « figure of merit ». It appears that, when considering only tunneling phenomena, there is an advantage to decrease the barrier potential height. A number of people have employed semiconductors as barriers because it is possible to use either a naturally narrow forbidden band, or to use the metal-semiconductor interface properties, to get small barrier heights. This paper is devoted to a review of experimental works on junctions using low barrier materials. Attempts have been made with various deposited materials such as Te, PbTe, CdS, CdSe, Ge, InSb, etc., ... But at the present time these trials have not yet been clearly successful. Many problems are related to the use of these materials, some of the more important being : presence of surface states, variation of doping with time, diffusion near the interface, pinholes and amorphous-polycrystalline behaviour. Moreover, these various phenomena can lead to several possible mechanisms for explaining conduction in superconductor-semiconductor-superconductor sandwiches. Some of these mechanisms are not compatible with good high frequency coupling.


Résumé
L'amélioration du couplage des jonctions tunnel Josephson doit passer soit par des techniques de transformation d'impédance soit par la fabrication de jonctions dont les valeurs d'impédance sont plus appropriées. Deux calculs de l'efficacité du couplage jonction-cavité, l'un avec une antenne, l'autre avec une boucle d'induction, mettent en évidence l'importance du terme Ic r0/Γ où Γ est la capacité, Ic le courant critique et r0 une dimension liée à la taille de la jonction. Il existe plusieurs façons d'accroître ce « facteur de mérite ». Si l'on considère seulement les phénomènes tunnel, il y a avantage à décroître la hauteur de la barrière de potentiel. Les semiconducteurs ont été employés comme barrière parce qu'il est possible soit d'utiliser une bande interdite naturellement étroite, soit encore d'utiliser les propriétés de l'interface métal semiconducteur pour avoir de petites hauteurs de barrière. On trouvera ci-après une revue des travaux expérimentaux sur l'utilisation de matériaux ayant de faibles hauteurs de barrière. Des essais ont été faits en déposant les matériaux suivants : Te, PbTe, CdS, CdSe, Ge, InSb, etc..., essais qui n'ont généralement pas encore été couronnés de succès. Parmi les problèmes rencontrés, signalons les plus importants : existence d'états de surface, variation du dopage en fonction du temps, diffusion près de l'interface, trous d'épingle, comportement amorphe-polycristallin, etc... De plus, ces différents phénomènes peuvent mener à plusieurs mécanismes possibles en vue d'expliquer la conduction dans les sandwiches supraconducteur-semiconducteur-supraconducteur. Certains de ces mécanismes ne sont pas compatibles avec un bon couplage jonction-haute fréquence.

PACS
8525A - Superconducting device characterization, design, and modeling.

Key words
Tunnel junction -- Josephson junctions -- Coupled circuits -- Microwave field -- Critical current -- Capacitance -- Semiconductor materials -- Barrier height -- Potential barrier -- Experimental study