Сверхпроводящее электронное устройство и способ его изготовления

 

Использование: приборостроение, микроэлектроника . Сущность изобретения: электроды выполнены из монокристаллического сверхпроводника, а мостики - из поликристаллического . Размер мостиков - больше размера зерен, но меньше перколяционной длины. Подложку выполняют монокристаллической , а в местах нахождения мостиков - поликристаллической. Сверхпроводник формируют при условиях, обеспечивающих эпитаксиальный рост сверхпроводящей пленки на монокри сталлической подложке. 6 ил.

,.,Ы.)„„1785056 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК, (si>s Н 01 1 39/22, 39/24

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВедОмстВО сссР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 2 (21) 4862007/25 (54) СВЕРХПРОВОДЯЩЕЕ ЭЛЕКТРОННОЕ (22) 04.09.90, УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВ(46) 30.12.92. Бюл, М 48 ЛЕНИЯ (71) Институт радиотехники и электроники - (57) Использование: приборостроение, микAH СССР " роэлектроника; Сущность изобретения: (72) В.Н.Губанков., Ю.Я.Дивин, И.М.Коте- электроды выполйены из монокристалличелянский и B.Á.Kðàâ÷åíêî . ского сверхпроводника, а мостики — из по(56) Koch R,Н, et al, Quantum interference ликристаллического. Размер мостиков—

devices made from superconducting oxide большеразмеразерен, номеньшеперколяthin films. — Appl. Phys. Lett, 1987, v. 51, Ь ционнойдлины. Подложкувыполняютмоно3, р,200-202.,:, кристаллической, а в местах нахождения

Gallagher W.Т. et al. Fabrication and 77К мостиков — поликристаллической. Сверхoperation of low noise сЫп film de SQUtOs — проводник формируют при условиях, обесExt. Abstracts of 1SEC 89, 1989, Tokyo, р. печивающих зпитаксиальный рост

477-481..:,сверхпроводящей пленки на монокристаллической подложке. 6 ил.

Изобретение относится к электронным устройствам, использующим эффект Джозефсона в сверхпроводящих структурах, и способам изготовления этих устройств. .. Изобретение может быть использовано при разработке высокочувствительных сверхпроводящих детекторов электромагнитного излучения и датчиков магнитного потока, особенно при изготовлении этих устройств из сверхпроводящих материалов с высокой критической температурой и, соответствен-. но, с малыми величинами длины когерентности.

Известно сверхпроводящее электрон ное устройство, в котором имеются сверхпроводящие электроды и сверхпроводящие мостики. Электроды и мостики, входящие в состав этого устройства, выполнены иэ поликристаллической тонкой пленки VBaCu0.

Размеры мостиков выбираются исходя иэ необходимых значений критических токов мостиков в предположении наличия у таких ъ мостиков джозефсоновских свойств. Изготовление такого рода устройств заключает- Ср ся в напылении поликристаллической пленки на всю поверхность изолирующей подложки и формировании из нее мостиков и электродов.

Наиболее близкими по технической О сущности и достигаемому положительному эффекту к изобретению являются устройство и способ его изготовления. Сверхпроводящее электронное устройство содержит два тонкопленочных мостика шириной ю = 4 мкм и тонкопленочные электроды, соединяющие мостики в контур размером 40 х 42 мкм Мостики и электроды выполнены из пОликристаллической крупнозернистой пленки высокотемпературного сверхпроводника TIBaCaCuO с размером зерен а"до

1785056

40 мкм. При этом размер w мостика были материала, а длина, ширина и толщина моменьше характерного размера зерна"а",и в стика выбраны большими ра

ы ольшими размера зерна в мостике возможно выделение одного меж- поликристаллическом материале, но не презеренногоджозефсоновского перехода, оп- вышающими перколяционную длину в сисределяющего джозефсоновские свойства 5 теме из межзеренных переходов в поликристаллическом сверхпроводящем

Описанное устройство представляетсо- материале. бой сверхпроводящий квантовый интерфе- Указанная цель достигается также тем, ренционный датчик (СКВИД). Отмечается, что в известном способе, заключающемся в что джозефсоновские свойства мостиков. 10 нанесении на изолирующую подложку пленнеобходимые для работы всего устройства ки из сверхпроводникового материала

И

СКВ Д, обеспечиваются за счет слабых следующемформированииизнее мостиков связей между зернами пленки. Для улучше- и электродов, подложку выполняют из монония стабильности предложено уменьшить кристаллического материала, в местах будуплощадь электродов, что приводит к пони- 15 щего расположения мостиков наносят на и олирующии жению гистерезиса на сигнальных характе- нее поликристаллический изолирую ристиках устройства, но не устраняет его слой, после чего на всю подло>кку нанос о>кку наносят сверхпроводящую тонкую пленку при услоИзготовленивустройствазаключаетсяв виях, обеспечивающих эпитаксиальный том, что на всю изолирующую подложку на- 20 рост сверхпроводящей пленки на монокриносят сверхпроводящую поликристалличе-, сталлической подложке. скую пленку, из которой затем формируют В качестве примера конкретного выполмостики и электроды СКВИД, включая кон- нения рассмотрим реализацию сверхпровотур квантования и места подсоединения дящего квантового интерференционного внешней схемы. : " 25 датчика (СКВИД). На фиг. 1 представлено . Недостатком устройства и способа яв- сверхпроводящее электронное устройство ляются значительные шумы. Кроме того, на СКВТД согласно изобретению. СКВИД созависимости отклика Ж/такого устройства, держит два мостика 1, 2, выполненных иэ от внешнего магнитного потока Ф все же поликристаллического мат материала . наблюдаются нерегулярные участки и гисте- 30 VBa2Cu301-g, и электродов 3, 4, соединяюф, резйс при изменении направления потока щих мостики друг с другом таким б м таким о разом, яют контур с >. Это ухудшает стабильность работы уст- что электроды 3, 4 составляют кон ройства, особенно в режиме СКВИД с вклю- включенными в него мостиками 1, 2. Электченной обратной связью по магнитному роды 3, 4 выполнены из монокристалличе потоку. Кроме того, при размерах мостиков 35 ской пленки ЧВа2Соз07- . нанеСенной в < а существует значительная вероятность . непосредственно на монокристалличес ю лическую того. что в область мостика не попадает изолирующую подложку 5 из MgQ, Мостики межзеренный переход, и поэтому разброс 1, 2 имеют ширину w = 15 мкм, длину I= 15 параметров мостиков будет большим. При мкм и толщину t - 1 мкм и расположены на реализации такого устройства на основе вы- 40 поликристаллических изолирующих слоях 6. сококачественных мелкозернистых сверх- 7, например, из пленки MgO, находящейся проводящих пленок с размерами зерна а на монокристаллической подложке 5. Ис 0,1-1 мкм существенно усложняется про- пользуемые поликристаллические пленки цесс приготовления, поскольку требование иэ VB32CU307-8, имеют размеры зерен а = малости. размера в мостика Относительно 45 0;5 мкм, Электроды 3, 4 и мостики 1, 2 обраразмера зерна а приводит"к необходимости зуют контур 8, который предназначен для использования сложных методов формиро- измерения магнитного потока в СКВИД. вания мостиков с разрешением менее 0,1 Койтакты 9, подсоединенные к электродам мкм;-" 3, 4, служат для задания тока через СКВИД, Цель изобретения — понижение уровня 50 а контакты 10 — для измерения напряжения шумов и повышение стабильности работы на СКВИД. сверхпроводящего электронного устройст- Также в качестве материалов мостиков ва, а также повышение воспроизводимости и электродов могут быть использованы д их ха "акте истик. р ер стик. — - гие сверхпроводящие материалы с высокит мператур

Указанная цель достигается тем, что в 55 ми значениями критических температ устройстве, содержащем сверхпроводящие (15-100 К) и малыми значениями длины коэлектроды и мостики из сверхпроводящего герентности а 10-100 Я. Среди них, наполикристаллического материала, электро- пример, NbM, ИЬзбе, LaSrCuO, TIBaCaCu0 ды выполнены из монокристаллического и другие, 1785056

Работа СКВИД основана на зависимости его критического тока lc от величины внешнего магнитного потока Ф, наведенного в контуре 8. Наибольшая чувствительность СКВИД к внешнему потоку достигается при наличии у мостиков 1, 2 джозефсоновских свойств. Джоэефсоновские свойства мостиков в данном устройстве обеспечиваются за счет джоэефсоновских свойств межэеренных переходов в поликристаллической пленке.

Вследствие разброса параметров межэеренных барьеров в..поликристаллических пленках ЧВагСизОу-8" их сопротивления в нормальном состоянии Вщ и критические токи с! имеют существенно различные значения. Это обстоятельство обуславливает неоднородности в пространственном распределении тока как е нормальном, так и в сверхпроводящем состоянии. Расчеты, проведенные на основе теории перколяции, указывают на то, что основной ток в средах с сильной неоднородностью электропроводности течет по так называемой критической подсетке с характерным размером (перколяционной длиной) L, значительно превосходящим размер зерна в пленке. Величина перколяционной длины L измеряется с помощью методов локального зондирования, например, методом лазерного зондирования, при котором на пленку направляется сфокусированный лазерный луч и измеряется изменение напряжения

ЬЧ на йленке как функция положения луча (х, у). Типичный результат таких измерений для плейки VBaCuO при температуре 83 К представлен на фиг, 2. Наличие пиков на зависимости ЬЧ(х) свидетельствует о наличии хорошо йроводящих каналов в пбликристалл ич ес кой пленке VB а2Сиз07-, расположенных на характерной перколяционной длине L 100 мкм. При выборе размеров W, I, меньших перколяционной длины L, создаются благоприятные воэможности для выделения в мостике одного наиболее проводящего пути и мостик, в отличие от обратного случая W, I » 1, не содержит внутренних, хорошо проводящих контуров, поэтому процессы захвата и последующего освобождения магнитного потока в таких мостиках практически отсутствуют. Естественным нижним пределом размеров мостика является размер зерна а. Выбор размеров f < W, I, т < 1 (в нашем случае а =

0,5мкм,в115мкм, t=1 мкм,1 =100мкм) обеспечивает уменьшение шумов, связанных с захватом магнитного потока в области мостиков, с одной стороны, и повышение воспроизводимости характеристик мостиков, с другой стороны. Кроме того, использование в качестве электродов 3, 4, содержащлх контур квантования СКВИД, монокристаллической пленки из-за существенно боле высоких значений магнитных полей, при которых в таких пленках происходит захват потока, позволяет также уменьшить шу лы, наблюдаемые в поликристаллических СКВИД и связанные с взаимодействием магнитного потока в контуре

СКВИД и входом/выходом магнитного потока в перколяционных контурах в поликри-. сталлических -электродах. При этом уменьшение шумов, даже при учете одной

15 из причин, может составлять от 10 до 10 4

Ф /ГЦ1/2.

Пример выполнения способа показан на фиг. 3. Сначала на всю подложку 5 иэ монокристаллического MgO напыляют по20 ликристаллическую пленку Mg0 и в местах будущего расположения мостиков из поликристаллической пленки Mg0 с помощь1о фотографии формируют слои 6 и 7, с размерами w, I, не превосходящими перколяцион25 ной длины L в поликристаллической пленке из ЧВагСизОт 4, образующейся на подложке из поликристаллического Mg0 (фиг. 3 и 4), Далее на подложку напыляют пленку

VBa2Cu30z-8 при условиях, обеспечиваю30 щих эпитаксиальный рост пленки на монокристаллическом MgO.è формируют мостики 1 и 2; а также электроды 3 и 4 (фиг.

5 и 6). При этом на поликристаллическом

Mg0 образуются мостики из поликристал35 лической пленки ЧВагСиз07-5 . Получаемые мостики имеют размеры w =! = 15 мкм,, t = 1 мкм, что больше размера зерна а = 0,5 мкм в поликристаллической пленке

ЧВа СизОт-8, но меньше перколяционной

40 длины L = 100 мкм в этой пленке, согласно изобретению.

Технико-экономические преимущества изобретения основаны на более высокой предельной чувствительности сверхпрово45 дящих устройств из-за существенного, приблизительно на порядок, понижения уровня шумов, на существенной повышении стабильности их характеристики из-эа устранения процессов входа/выхода магнитного

50 потока в мостики и электроды устройства, а также 11а более высокой воспроизводимости характеристик устройств при массовом изготовлении за счет повышения размеров мостиков относительно размера зеона по55 ликристаллического материала мостиков.

Формула изобретения

1. Сверхпроводящее электронное устройство, содер>кащее сверхпроводящие электроды и 1лостики из сверхпроводящего

1785056 поликристаллического материала, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения уровня шумов, повышения стабильности работы и повышения воспроизводимости характеристик, электроды выполнены из 5 монокристаллического материала, а ширина.L, длина! и толщина t мостиков выбраны большими размера зерна поликристаллического материала "мостика и не превышающими перколяционную длину L в системе из 10 межзеренных переходов в поликристааллическом сверхпроводящем материале мостиков.

2. Способ изготовления сверхпроводя- 15 щего электронного устройства,. заключающийся в нанесении на изолирующую подложку пленки из сверхпроводящего материала и последующем формировании из нее мостиков и электродов, отличающийся тем. что, с целью понижения уровня шумов, повышения стабильности работы и повышения воспроизводимости характеристик устройства. подложку выполняют из монокристаллического материала, затем в местах будущего расположения мостиков наносят на нее поликрйсталлический изолирующий слой, после чего на всю подложку наносят сверхпроводящую тонкую пленку при условиях, обеспечивающих эпитаксиальный рост сверхпроводящей пленки на монокристаллической подложке.

1785056

ОО

ЮОО х,мМи

Составитель Ю,Дивин

Техред М. Моргентал

Редактор

Корректор А.Козориз

Заказ 4369 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. yn,Гагарина, 101