Сверхпроводящий прибор джозефсона и способ его изготовления



Сверхпроводящий прибор джозефсона и способ его изготовления
Сверхпроводящий прибор джозефсона и способ его изготовления
Сверхпроводящий прибор джозефсона и способ его изготовления
Сверхпроводящий прибор джозефсона и способ его изготовления
Сверхпроводящий прибор джозефсона и способ его изготовления
Сверхпроводящий прибор джозефсона и способ его изготовления
Сверхпроводящий прибор джозефсона и способ его изготовления
Сверхпроводящий прибор джозефсона и способ его изготовления
Сверхпроводящий прибор джозефсона и способ его изготовления

 


Владельцы патента RU 2504049:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" (RU)

Использование: при производстве сверхпроводниковых интегральных схем (СПИС) различного назначения. Сущность изобретения: СПД на основе многослойной тонкопленочной гетероструктуры содержит два слоя сверхпроводника, образующих электроды, и прослойку с металлической проводимостью между ними из легированного металлом полупроводника. Прослойка имеет локально неоднородную структуру и выполнена с возможностью одновременного образования в ее объеме двух независимых каналов транспорта тока, один из которых представляет собой совокупность цепочек примесных атомов металла, соединяющих оба электрода и образующих квазиодномерные каналы с металлической проводимостью для транспорта сверхпроводящего тока, а другой - состоит из отдельно расположенных примесных атомов металла, образующих локализованные состояния примесных центров и обеспечивающих транспорт нормального туннельного тока, причем упомянутые квазиодномерные каналы представляют собой внутренние шунты для туннельного тока в прослойке. Способ включает последовательное нанесение на подложку первого и второго слоев сверхпроводника, прослойки легированного металлом полупроводника между ними, формируемой путем распыления полупроводника и металла. Технический результат: исключение непосредственного протекания тока через прослойку с обеспечением резонансных механизмов транспорта тока, увеличение характерного напряжения и дифференциального сопротивления СПД; улучшение воспроизводимости параметров за счет использования более толстых слоев легированного полупроводника. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области сверхпроводниковой микро- и наноэлектроники и может быть использовано при производстве сверхпроводниковых интегральных схем (СПИС) различного назначения.

Известен сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом (далее СПД) на основе многослойной тонкопленочной структуры SNS (сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник), состоящий из нижнего сверхпроводящего электрода S на основе соединения Nb, прослойки из нитрида тантала (TaxN) и верхнего электрода S также на основе соединения Nb (US6734454 (В2), Van Duzer, et al., 11.05.2004).

Недостаток этого прибора состоит в том, что слабая связь локализована в области нормальной (N) металлической прослойки, причем такой N металл должен одновременно удовлетворять двум взаимно противоречивым требованиям. С одной стороны, для обеспечения больших плотностей критического тока при технологически разумной толщине прослойки он должен обладать большой эффективной длиной когерентности ξN, т.е. быть низкоомным. С другой стороны, для предотвращения существенного подавления сверхпроводимости в S электродах, его транспортные свойства обязаны быть существенно хуже по сравнению с аналогичными параметрами сверхпроводников (М.Ю.Куприянов, А.А.Голубов, ЖЭТФ, Т. 96, вып.4, 1420, 1989), т.е. материал прослойки должен быть высокоомным по отношению к материалу электродов. Имеет место значительное подавление сверхпроводимости в электродах, в результате чего характерное напряжение перехода (Vc=IcRN, где Ic - критический ток перехода, a RN - нормальное сопротивление) остается низким, и его высокочастотные свойства в силу соотношения Джозефсона остаются неудовлетворительными.

Известен СПД на основе многослойной тонкопленочной структуры сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник, включающий формирование нижнего сверхпроводящего электрода на основе соединения Nb, прослойки из несверхпроводящей фазы нитрида ниобия (NbxN) и верхнего электрода также на основе соединения Nb (EP 1365456 (А2), YAMAMORI HIROTAKE et al., 26.11.2003). Технологическим преимуществом данного способа является использование лишь одного источника распыления для формирования всей джозефсоновской структуры. Однако главным недостатком данного способа остается металлическая прослойка и соответственно получение СПД SNS типа со всеми вытекающими недостатками.

Известны и другие аналоги СПД с использованием более высокоомных прослоек на основе металлических сплавов, например сплавы PdAu, TiN. В результате чего во всех перечисленных структурах получались СПД SNS типа, в которых транспорт тока осуществлялся путем непосредственного протекания тока через прослойку с чисто металлической проводимостью. В таких переходах, как правило, величина характерного напряжения не превышала десятков микровольт, что соответствовало рабочим частотам до 20 ГГц. Для большинства практических применений требуются СПД с характерным напряжением сотни микровольт и рабочими частотами в диапазоне 20-200 ГГц и выше. Так, например, для метрологических применений рабочие частоты должны находиться в диапазонах 70 ГГц и 90 ГГц.

Известен СПД и способ его изготовления на основе многослойной тонкопленочной структуры сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник. СПД включает первый сверхпроводящий электрод из Nb, прослойку из сильно легированного металлом аморфного кремния (α-Si) и верхний сверхпроводящий электрод также из Nb. Способ включает последовательное нанесение на подложку первого и второго слоев сверхпроводника, прослойки легированного металлом полупроводника между ними, формируемой путем распыления полупроводника и металла (см. Гудков А.Л., Куприянов М.Ю., Лихарев К.К. Свойства джозефсоновских переходов с прослойкой из легированного кремния. ЖЭТФ. 1988. Т. 94. Вып.7. С.319-332 - ближайший аналог первого и второго изобретений группы).

Преимущество данного прибора заключается в том, что в качестве примеси используется металл, образующий глубокие примесные уровни в полупроводнике, а режим формирования прослойки выбирается таким образом, что аморфный полупроводник насыщается металлической примесью до состояния полного вырождения с образованием материала с металлической проводимостью, после чего легирование прекращается.

Как установлено (Kulikov V.A., et а1., A mm-wave radiometer with planar Nb/α-Si/Nb josephson junction. IEEE Trans. on Magn. MAG-27, 1991, №2), степень легирования α-Si примесью Nb составляет примерно 11%. В результате получается прибор SNS типа, и достаточно высокоомная прослойка. Данные переходы торцевой конструкции демонстрировали высокие плотности тока до 105 А/см2 и выше.

Недостаток состоит в возможности реализации СПД только субмикронной площади 0,01-1 мкм2. При большей площади получаются либо большие критические токи (7 с), что приводит к перегреву перехода, либо малые Vc. Для целого ряда применений, включая программируемые квантовые эталоны Вольта, генераторные системы и другие высокочастотные устройства, требуются СПД площадью до 100 мкм2 и имеющие Vc от 100 мкВ и выше. В частности, для метрологических потребностей нужны переходы большой площади с Vc≥150 мкВ и величинами Iс от долей до нескольких миллиампер. Требование к величине Iс связано с необходимостью получения стабильных ступеней Шапиро большой амплитуды при воздействии внешней рабочей частоты.

Группа изобретений направлена на устранения отмеченных недостатков СПД.

Патентуемый СПД на основе многослойной тонкопленочной гетероструктуры содержит два слоя сверхпроводника, образующих электроды, и прослойку с металлической проводимостью между ними из легированного металлом полупроводника.

Отличие состоит в том, что прослойка имеет локально неоднородную структуру и выполнена с возможностью одновременного образования в ее объеме двух независимых каналов транспорта тока, один из которых представляет собой совокупность цепочек примесных атомов металла, соединяющих оба электрода и образующих квазиодномерные каналы с металлической проводимостью для транспорта сверхпроводящего тока. Другой канал состоит из отдельно расположенных примесных атомов металла, образующих локализованные состояния примесных центров и обеспечивающих транспорт нормального туннельного тока. Упомянутые квазиодномерные каналы представляют собой внутренние шунты для туннельного тока в прослойке.

СПД может характеризоваться тем, что проводимости каналов транспорта тока предпочтительно равны, а также тем, что каналы состоят из атомов металлов, образующих глубокие примесные уровни в полупроводнике, и тем, что каналы состоят из атомов тугоплавких металлов, образующих глубокие примесные уровни в полупроводнике.

СПД может характеризоваться тем, что каналы состоят из кластеров металлов, содержащих по меньшей мере два атома, и, кроме того, тем, что полупроводник представляет собой аморфный материал.

В качестве полупроводника может быть использован кремний, а в качестве легирующей примеси - материал сверхпроводника, либо тугоплавкие металлы, выбранные из группы, содержащей W, Та, Мо. Каналы могут состоять из атомов металлов, образующих глубокие примесные уровни в полупроводнике, и кластеров металлов, содержащих по меньшей мере два атома. Прослойка может содержать по меньшей мере один слой металла или другого проводящего материала, параллельный границам раздела прослойки и электродов, толщина которого составляет по меньшей мере один атомный слой.

СПД может характеризоваться тем, что металл или другой проводящий материал внутри прослойки обладает сверхпроводящими свойствами, а также тем, что металл или другой проводящий материал обладает ферромагнитными или антиферромагнитными свойствами.

Патентуемый способ изготовления сверхпроводящего прибора Джозефсона включает последовательное нанесение на подложку первого и второго слоев сверхпроводника, прослойки легированного металлом полупроводника между ними, формируемой путем распыления полупроводника и металла.

Отличие способа состоит в том, что после нанесения первого слоя сверхпроводника подбирают параметры распыления полупроводника и металла из условия формирования проводящей прослойки с локально неоднородной структурой, содержащей в своем объеме соединяющие первый и второй слои сверхпроводника совокупность цепочек из случайно расположенных примесных атомов и не связанные с упомянутыми цепочками отдельно расположенные примесные атомы или кластеры металлов, образующие локализованные примесные центры.

Концентрацию С примесных атомов или кластеров металла внутри прослойки выбирают из условия:

C2>C>C1, где C1 - концентрация примесных атомов или кластеров, при которой среднее расстояние между ними много больше радиуса локализации; С2 - концентрация примесных атомов или кластеров, при которой среднее расстояние между ними меньше радиуса локализации.

Способ может характеризоваться тем, что источник распыления полупроводника и металла имеет мишень из полупроводника с заданной концентрацией металлической примеси и/или мозаичную мишень из полупроводника и металла.

Способ может характеризоваться и тем, что использованы два независимых источника распыления полупроводника и металла. В качестве полупроводника может быть использован кремний, а в качестве легирующей примеси - материал сверхпроводника, либо тугоплавкие металлы, выбранные из группы, содержащей W, Та, Мо, при этом степень легирования составляет 6-11%.

Способ может характеризоваться и тем, что температуру подложки и режимы распыления выбирают из условия образования аморфного полупроводника и исключения образования соединений кристаллических фаз полупроводника с легирующей металлической примесью, а также тем, что локально неоднородная структура представляет собой слоистую структуру, образованную нанесением слоев металла без разрыва вакуума.

Технический результат первого изобретения группы - повышение величины Vc при заданной величине Iс и величины Rd дифференциального сопротивления СПД в области напряжений, соответствующих рабочим частотам и возможности изготовления СПД любой площади; исключение непосредственного протекания тока через прослойку с обеспечением резонансных механизмов транспорта для токов до нескольких миллиампер; улучшение воспроизводимости параметров за счет использования более толстых слоев легированного полупроводника.

Технический результат второго изобретения группы - возможность формирования заданных параметров легирования прослойки в технологическом процессе без разрыва вакуума: повышение характерного напряжения Vc>150-300 мкВ, нормального сопротивления RN>0,5-1,0 Ом и рабочей частоты Fc>75-100 ГГц и амплитуд ступеней Шапиро, сравнимых с величиной Iс.

Достижение технических результатов обосновывается нижеприведенными пояснениями механизмов функционирования и экспериментальными данными.

Улучшение характеристик СДП возможно достичь одновременным повышением двух параметров - величины Vc при заданной величине Iс и величины Rd перехода в области напряжений, соответствующих рабочим частотам. При этом вольтамперная характеристика (ВАХ) перехода должна оставаться практически однозначной, т.е. параметр Маккамбера - Стюарта должен удовлетворять условию:

Исходя из требований решаемой задачи, параметр β должен быть ≈1 или ≤1, а для эталонов Вольта может незначительно превышать единицу. Отметим, что для СДП SIS-типа параметр β>>1, а для SNS типа - β<<1.

Требуемый результат в патентуемом изобретении достигается за счет выбора прослойки с определенными свойствами, а также за счет выбора режима и степени легирования полупроводниковой прослойки СДП в гетероструктуре сверхпроводник - легированный полупроводник - сверхпроводник (Superconductor - Doped semiconductor -Superconductor), - в реализации СПД SDS-типа, поскольку транспорт тока в такой прослойке осуществляется исключительно за счет примесных центров. В патентуемом изобретении в отличие от прототипа в полупроводниковой прослойке обеспечиваются упругие и неупругие механизмы резонансного транспорта тока через локализованные состояния, образованные примесными центрами.

Режим распыления осуществляется таким образом, чтобы уровень легирования полупроводника металлом обеспечивал протекание сверхпроводящего тока по резонансным перколяционным траекториям, представляющим собой квазиодномерные каналы с металлической проводимостью, образованные примесными центрами. Протекание нормального тока осуществлялось преимущественно за счет механизма неупругого туннелирования через локализованные состояния. Дополнительным условием для реализации СПД SDS-типа может являться примерное равенство проводимости обоих каналов транспорта тока, а ширина зоны квазиодномерных каналов должна быть существенно меньше величины щели сверхпроводника (Г<Δ).

В патентуемом изобретении повышенное значение Ic обеспечивают квазиодномерные каналы с металлической проводимостью и их плотность на единицу площади джозефсоновского перехода, а величина Rd, а также RN определяется механизмом неупругого туннелирования через локализованные состояния. Однозначность ВАХ и отсутствие гистерезиса (β≈1) обеспечивается шунтированием резонансного туннелирования квазиодномерными каналами с металлической проводимостью, т.е. внутренним шунтированием.

В результате выбора режима и степени легирования полупроводниковой прослойки получается переход Джозефсона SDS типа, который по своим свойствам принципиально отличается от переходов SNS и SIS типа и занимает промежуточное положение. Это означает, что степень легирования ограничена как сверху, так и снизу. Действительно, повышение степени легирования приведет к полному вырождению прослойки и получению перехода SNS-типа, а уменьшение степени легирования приводит к более редкому расположению примесей в прослойке на расстояния превышающие радиус локализации. При уменьшении степени легирования квазиодномерные каналы с металлической проводимостью уже не образуются, и джозефсоновский переход становится переходом SIS типа.

Указанный технический результат в способе изготовления СПД SDS типа достигается тем, что степень легирования выбирается меньше, чем при вырождении полупроводника и в указанном соотношении концентрации примеси, так, что при уменьшении степени легирования происходит постепенный переход от перехода SNS типа к переходу SIS типа. При этом меняется форма ВАХ в области рабочих напряжений и соответственно рабочих частот. ВАХ становится близкой к ВАХ перехода SINIS типа, но параметр β остается близким к единице. Как известно в туннельных переходах амплитуда ступеней Шапиро превышает величину Ic и даже пересекает ось напряжений. Близость свойств переходов SDS к переходам SIS и SINIS типа и позволяет достичь максимальных значений амплитуд ступеней Шапиро, что подтверждено экспериментально.

Экспериментально установлено, что желаемая степень легирования прослойки из аморфного кремния металлом (Nb или W), образующим глубокие примесные уровни, лежит в диапазоне 6-11%. Этого достаточно, чтобы плавно регулировать проводимость полупроводниковой прослойки и получать воспроизводимые СПД SDS типа.

Способ изготовления СПД предусматривает использование известных в технологии тонких пленок оборудования и материалов. Вначале на подготовленную подложку наносится методом ионно-плазменного распыления или иным методом формирования тонких пленок в едином вакуумном цикле сверхпроводниковая гетероструктура, состоящая из двух слоев сверхпроводника и прослойки между ними из легированного полупроводника. Режимы формирования гетероструктуры, такие как мощность источников, температура подложки и чистота всего процесса, выбираются таким образом, чтобы исключить взаимную диффузию материалов через границы раздела слоев и обеспечить чистоту слоев. Формирование прослойки осуществляется путем осаждения одновременно двух материалов полупроводника и металла методом распыления либо мозаичной мишени из одного источника, либо одновременным распылением двух мишеней из двух независимых источников.

Существо изобретения поясняется на чертежах, где на:

фиг.1, 2 показан патентуемый СПД в разрезе;

фиг.3 - к пояснению принципа функционирования патентуемого СПД (а) и ближайшего аналога (б);

фиг.4 - сопоставление ВАХ патентуемого СПД (а) и ближайшего аналога (б);

фиг.5-8 - экспериментальные ВАХ (пояснения в тексте).

На фиг.1 показана конструкция планарного СПД в разрезе, на котором цифрами обозначено: 1 - подложка; 2 - слой сверхпроводника в качестве нижнего электрода; 3 - слой легированного металлом полупроводника, выполняющий функцию прослойки между двумя сверхпроводящими электродами; 4 - слой сверхпроводника в качестве верхнего электрода; 5 - слой изоляции; 6 - слой сверхпроводниковой разводки верхнего электрода.

Позицией 7 обозначено месторасположение сверхпроводящего контакта между слоями сверхпроводника 4 и 6.

На фиг.2 показана модификация конструкции СПД. Слой 3 легированного металлом полупроводника, выполняющий функцию прослойки между двумя сверхпроводящими электродами 2 и 4, может содержать по меньшей мере один слой 8 металла или другого проводящего материала, параллельный границам раздела прослойки и электродов, толщина которого составляет по меньшей мере один атомный слой.

Фиг.3 поясняет принцип функционирования патентуемого СПД (а) и ближайшего аналога SNS типа (б), которые различаются концентрацией металлической примеси в слое 3 из полупроводника. Обозначено: 9 - сверхпроводящие электроды; 10 - прослойка полупроводника, легированного металлом; 11 - границы раздела между прослойкой и электродами; 12 - одиночные примесные атомы металла; 13 - примесь в виде металлических кластеров, состоящих из нескольких атомов.

Позицией 14 обозначена условная траектория по каналу транспорта тока через цепочку примесей. Расстояние ri между соседними примесными центрами меньше радиуса локализации электронов а в полупроводнике для одиночных атомов металла или меньше радиуса электронного окружения (электронного облака) rcl для металлического кластера.

Позицией 15 показаны условные вероятные траектории по каналам упругого и неупругого резонансного туннелирования электронов через локализованные примесные центры, у которых ri>α, rcl.

В модели (фиг.3, а) схематически изображено наличие одновременно двух механизмов транспорта тока: квазиодномерный канал с металлической проводимостью (поз.14) и канал с резонансным туннелированием через локализованные состояния (поз.15). Прослойка в этом случае обладает особыми транспортными свойствами как для сверхпроводящего тока, так и для нормального тока, и переход Джозефсона является переходом SDS типа. Модель (фиг.3, б) демонстрирует однородную и вырожденную в результате легирования до металлической проводимости прослойку, в которой концентрация металлической примеси такова, что среднее расстояние между примесными центрами меньше радиуса локализации (ri<α, rcl)

На фиг.4 схематически показаны формы ВАХ: а) СПД SDS типа и б) СПД SNS типа (аналог). Поз. 16 обозначены участки ВАХ, соответствующие сверхпроводящему току; поз.17 - резистивные участки ВАХ.

Имеется ряд принципиальных отличий. На ВАХ (фиг.4а) после участка 16 следует участок, близкий к горизонтальному, который также может иметь гистерезис в зависимости от величины безразмерной емкости β СПД. Поведение резистивных участков (поз.17) ВАХ в силу различных механизмов транспорта тока сильно отличаются и описываются разными формулами. Форма резистивного участка ВАХ СПД SDS типа определяется доминирующими процессами резонансного туннелирования через одно или два локализованных состояний и близка к ВАХ, следующей из теории Глазмана-Матвеева:

,

Здесь: S - поперечная площадь перехода Джозефсона; g, E0 и α - плотность резонансных центров, положение энергетического уровня ЛС относительно энергии Ферми и радиус ЛС соответственно; λер - безразмерная константа, характеризующая электрон-фононное взаимодействие; L - расстояние между электродами.

Множители S/α2 и S/Lα в выражениях (3), (4) определяют полное число статистически независимых каналов туннелирования через одно и два ЛС соответственно. Имеющееся отличие обусловлено тем, что в случае двух ЛС эти центры не должны быть расположены обязательно вдоль прямой перпендикулярной плоскостям границ структуры. При этом фактор (La)1/2 определяет то эффективное расстояние, на которое ЛС могут быть смещены относительно друг друга в объеме прослойки без потери эффективности резонансного канала проводимости. Множители (gα3E0)2, (2gdα2T)2 и (2gdα2eV)2 задают вероятность образования соответствующего канала проводимости. Для канала с одним ЛС такая вероятность определяется эффективным объемом пространства прослойки, который может быть использован электроном для осуществления процесса резонансного туннелирования. Для каналов с двумя ЛС эта вероятность также зависит как от того объема прослойки, который может быть задействован для организации процесса хоппинга, так и от той порции энергии (Т или eV), которая может быть получена или отдана электроном в ходе туннелирования. Последние из сомножителей в формулах (3), (4) задают проводимость оптимального канала туннелирования.

Форма резистивного участка ВАХ СПД с параметром β≥1 может быть описана простой формулой:

с параметрами σn и βn, значения которых можно легко определить из эксперимента.

Традиционная форма резистивного участка ВАХ СПД SNS типа (фиг.4 б) описывается хорошо известной резистивной моделью:

Выше этого участка следует участок ВАХ, соответствующий нормальному сопротивлению (Км). Причем для СПД SNS типа он характеризуется величиной избыточного тока Iex.

В противоположность этому участок ВАХ СПД SDS типа (фиг.4 а), соответствующий нормальному сопротивлению и расположенный выше щелевого напряжения (Vg), характерен величиной недостатка тока Idf. Величина недостатка тока пропорциональна Δ-Г и возникает в случае, когда Г<Δ. Для перехода SNS типа величина избыточного тока пропорциональна Г, а сама ширина зоны проводимости Г превосходит 2Δ.

На фиг.5 представлена экспериментальная ВАХ СПД на основе сверхпроводниковой гетероструктуры Nb/α-Si/Nb с прослойкой из аморфного кремния (α-Si), легированного W (параметры перехода: β≈1, Ic=0,18 мА, RN=0,2 Ом, Vc=0,036 mV): а) - автономная ВАХ; б) - ВАХ перехода в увеличенном масштабе по току; в) - ВАХ перехода под действием внешней частоты облучения. Площадь перехода -9×9 мкм2.

СПД был выполнен следующим образом. После формирования сверхпроводниковой гетероструктуры стандартными методами фотолитографии и сухого травления был сформирован верхний электрод, задающий размер перехода в плане, и топология нижнего электрода. Затем наносится слой изоляции, в котором методами литографии было вскрыто окно к верхнему электроду. Затем в едином вакуумном цикле была произведена ионная очистка поверхности верхнего электрода и нанесен разведочный слой сверхпроводника. Методами литографии из этого слоя была сформирована разводка верхнего электрода. В результате сформированный СПД имеет ВАХ, по форме принципиально отличающуюся от ВАХ переходов как SNS, так SIS типов.

Использовалась стандартная ниобиевая технология формирования планарных переходов Джозефсона. В качестве материала прослойки использовался аморфный кремний (α-Si), легированный W. Прослойка формировалась методом магнетронного распыления мозаичной мишени α-Si+W. Вся сверхпроводниковая гетероструктура Nb/α-Si(W)/Nb была сформирована в едином вакуумном цикле магнетронным методом распыления мишеней. При формировании рисунка СПД использовались стандартные методы литографии, используемые в электронике. Режимы формирования прибора Джозефсона SDS типа по ключевым технологическим операциям приведены в Таблице.

На Фиг.6 показана экспериментальная ВАХ на основе сверхпроводниковой гетероструктуры Nb/α-Si/Nb с α-Si прослойкой, легированной W (параметры перехода: β>1, Ic=0,44 мА, RN=0,65 Ом, Vc=0,286 mV): а) - автономная ВАХ; б) - ВАХ перехода в увеличенном масштабе по току; в) - ВАХ перехода под действием внешней частоты облучения. Площадь перехода -9×9 мкм2.

На фиг.7 и фиг.8 показаны экспериментальные ВАХ двух СПД SDS-типа на основе сверхпроводниковой гетероструктуры Nb/α-Si/Nb, но различающихся введением дополнительного слоя металла (Nb) внутрь слоя α-Si, легированного вольфрамом (а) - автономная ВАХ; б) - ВАХ перехода под действием внешней частоты облучения).

Слой металла параллелен границам раздела прослойки и электродов. Оба СПД изготовлены в одном технологическом цикле.

Графики фиг.7а, б, приведены для конструкции, показанной на фиг.1, графики фиг.8а, б - фиг.2. Толщина слоев 2, 4 из ниобия составляет 200 нм и 100 нм соответственно; толщина слоя 3, выполненного из α-Si, легированного вольфрамом, составляет 8 нм. Толщина слоя 8 ниобия составляет 1-2 нм, при этом он размещен посередине толщины слоя 3, и сумма толщин легированных α-Si слоев в обоих случаях равна. Площадь переходов -9×9 мкм2.

Видно, что величина Ic СПД со слоем 8 (фиг.8) возросла в 30 раз по сравнению с контрольным СПД (фиг.7). Это доказывает тот факт, что общее количество каналов транспорта тока, как квазиодномерных каналов с металлической проводимостью, так и каналов резонансного туннелирования возросло благодаря наличию слоя 8 из ниобия.

Таким образом, транспорт сверхпроводящего тока по квазиодномерным каналам с металлической проводимостью и транспорт нормального тока за счет резонансного туннелирования через локализованные состояния дает новую форму ВАХ перехода SDS-типа, улучшает высокочастотные свойства СПД, что расширяет область высокочастотных применений. Использование полностью аморфной легированной полупроводниковой прослойки повышает воспроизводимость параметров за счет однородности толщины прослойки по всей площади перехода. Прослойка из полупроводника, легированного металлическими кластерами, повышает проводимость каналов резонансного транспорта тока за счет большей вероятности образования таких каналов, так как rcl>ri.

Использование SDS-типа слоистой прослойки из легированного полупроводника с металлическими слоями повышает величину 1 с за счет увеличения каналов транспорта тока и позволяет улучшить воспроизводимость параметров за счет возможности использования более толстых слоев легированного полупроводника при фиксированной величине критического тока. Для СДП патентуемого SDS-типа большой площади обеспечено повышение характерного напряжения Vc>150-300 мкВ, нормального сопротивления RN>0,5-1,0 Ом, рабочей частоты Fc>75-100 ГГц и амплитуд ступеней Шапиро, сравнимых с величиной Ic.

Таблица
РЕЖИМЫ ФОРМИРОВАНИЯ СПД ПО КЛЮЧЕВЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОПЕРАЦИЯМ
№п/п Наименование операций Технологические режимы Характеристики слоя
1. Подготовка кремниевой подложки 1 Стандартная химическая отмывка - пластина кремния КДБ - 12 ρ=12 Ом·см
2. Нанесение слоя 2 Nb Давление ост. газов
Рост.=(3-5)10-4 Па
Тподл.д.=40-45°С
Мощность магнетрона=800 Вт
t напыления = 90 с
d=0,2 мкм
ρs=0,9-1 Ом/□
γ=R300/R10=2,5 Тc=9,2 К
3. Нанесение слоя 3 α-Si(W) Время остывания после
нанесения Nb1 tост. = 5 мин
Tподл.д. =30-35°C
Давление ост.газов Рост=(3-5)10-4 Па
Мощность магнетрона = 200 Вт
t напыления = 20-30 с
d(α-Si(W))=5-10 нм
4. Нанесение слоя 4 Nb Давление ост.газов
Рост=3-5·10-4 Па
Тподл.д. = 35-40°C
t напыления = 40 с
d=0,08 мкм
ρs=0,9-1 Ом/□
γ=R300/R10=2
Тc=- 9,2 К
5. ПХТ(Nb2/α-Si/Nb/α-Si/) Газ - СF4+O2(5:1)
Давление Р=0,2 Па
Мощность Р=40 Вт
t травления=20 мин
6. ПХТ слоя 2 Nb Газ - СF4+02(5:1)
Давление Р=0,2 Па
Мощность Р=40 Вт Длит.травления=30-40 мин
7. Нанесение слоя 5 изоляции (Аl2O3) Давление ост.газов Рост = 3·10-3 Па
Тподл.д.=150-200°С
t напыления = 3 мин
d=0,35 мкм
8. Вскрытие окон в слое Аl2O3 Травитель: СrО33РO42O (100 г. - 200 мл - 150 мл) Tтp.=85°С
t травления=4 мин
9. ИО слоя 4 и нанесение слоя 6 Nb Газ- Аr Давление Р=0,67 Па Мощность Prf=0,6 кВт
t чистки=2 мин. Рост=1,3·10-4 Па Тподл.д.=100-150°С Длит. напыления = 8 мин
d=0,25 мкм
ρs=0,9-1 Ом/□
γ=R300/R10=2
Тc=9,2 К

1. Сверхпроводящий прибор Джозефсона на основе многослойной тонкопленочной гетероструктуры, содержащий два слоя сверхпроводника, образующих электроды, и прослойку с металлической проводимостью между ними из легированного металлом полупроводника,
отличающийся тем, что
прослойка имеет локально неоднородную структуру и выполнена с возможностью одновременного образования в ее объеме двух независимых каналов транспорта тока, один из которых представляет собой совокупность цепочек примесных атомов металла, соединяющих оба электрода и образующих квазиодномерные каналы с металлической проводимостью для транспорта сверхпроводящего тока, а другой - состоит из отдельно расположенных примесных атомов металла, образующих локализованные состояния примесных центров и обеспечивающих транспорт нормального туннельного тока, причем упомянутые квазиодномерные каналы представляют собой внутренние шунты для туннельного тока в прослойке.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что проводимости каналов транспорта тока предпочтительно равны.

3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что каналы состоят из атомов металлов, образующих глубокие примесные уровни в полупроводнике.

4. Прибор по п.1, отличающийся тем, что каналы состоят из атомов тугоплавких металлов, образующих глубокие примесные уровни в полупроводнике.

5. Прибор по п.1, отличающийся тем, что каналы состоят из кластеров металлов, содержащих по меньшей мере два атома.

6. Прибор по п.1, отличающийся тем, что полупроводник представляет собой аморфный материал.

7. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводника использован кремний, а в качестве легирующей примеси - материал сверхпроводника, либо тугоплавкие металлы, выбранные из группы, содержащей W, Та, Мо.

8. Прибор по п.1, отличающийся тем, что каналы состоят из атомов металлов, образующих глубокие примесные уровни в полупроводнике, и кластеров металлов, содержащих по меньшей мере два атома.

9. Прибор по п.1, отличающийся тем, что прослойка содержит по меньшей мере один слой металла или другого проводящего материала, параллельный границам раздела прослойки и электродов, толщина которого составляет по меньшей мере один атомный слой.

10. Прибор по п.9, отличающийся тем, что металл или другой проводящий материал обладает сверхпроводящими свойствами.

11. Прибор по п.9, отличающийся тем, что металл или другой проводящий материал обладает ферромагнитными или антиферромагнитными свойствами.

12. Способ изготовления сверхпроводящего прибора Джозефсона, включающий последовательное нанесение на подложку первого и второго слоев сверхпроводника, прослойки легированного металлом полупроводника между ними, формируемой путем распыления полупроводника и металла,
отличающийся тем, что
после нанесения первого слоя сверхпроводника подбирают параметры распыления полупроводника и металла из условия формирования проводящей прослойки с локально неоднородной структурой, содержащей в своем объеме соединяющие первый и второй слои сверхпроводника совокупность цепочек из случайно расположенных примесных атомов и не связанные с упомянутыми цепочками отдельно расположенные примесные атомы или кластеры металлов, образующие локализованные примесные центры,
причем концентрацию С примесных атомов или кластеров металла внутри прослойки выбирают из условия:
C2>C>C1, где C1 - концентрация примесных атомов или кластеров, при которой среднее расстояние между ними много больше радиуса локализации; С2 - концентрация примесных атомов или кластеров, при которой среднее расстояние между ними меньше радиуса локализации.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что источник распыления полупроводника и металла имеет мишень из полупроводника с заданной концентрацией металлической примеси и/или мозаичную мишень из полупроводника и металла.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что использованы два независимых источника распыления полупроводника и металла.

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что в качестве полупроводника использован кремний, а в качестве легирующей примеси - материал сверхпроводника, либо тугоплавкие металлы, выбранные из группы, содержащей W, Та, Мо, при этом степень легирования составляет 6-11%.

16. Способ по п.12, отличающийся тем, что температуру подложки и режимы распыления выбирают из условия образования аморфного полупроводника и исключения образования соединений кристаллических фаз полупроводника с легирующей металлической примесью.

17. Способ по п.12, отличающийся тем, что проводящую прослойку в виде слоистой структуры формируют без разрыва вакуума.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в измерительной технике. .

Изобретение относится к сверхпроводниковым устройствам и может быть использовано в радиотехнических информационных системах и вычислительной технике. .

Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приемных системах для целей радиоастрономии, интроскопии и спектроскопии. .

Изобретение относится к области коммутационной электронной техники и энергетики и может быть использовано для переключения и ограничения токов в бытовых электронных устройствах, бытовых и промышленных электрических сетях, устройствах защитного отключения.

Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах.

Изобретение относится к криогенным приборам и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах.

Изобретение относится к криогенной радиотехнике и может быть использовано для усиления электрических сигналов в гигагерцовом диапазоне частот. .

Изобретение относится к способам создания слабых связей в виде двумерных периодических микроструктур с джозефсоновскими свойствами, используемых в высокочувствительных системах пленочных ВТСП сквид-магнитометрах, в частности, при создании высокочувствительных датчиков магнитного потока и детекторов электромагнитного поля, применяемых в устройствах для регистрации магнитокардиограмм в медицине, геофизике, экологии, контроля парамагнитных примесей в нефтепродуктах и т.п.

Изобретение относится к физике полупроводников, в частности к полупроводниковым эпитаксиальным наноструктурам с квантовыми ямами, и может быть использовано при реализации полупроводниковых приборов, работа которых основана на эффекте сверхпроводимости.

Изобретение направлено на повышение линейности усиления в гигагерцовом диапазоне частот без использования цепей обратной связи. СВЧ-усилитель на основе высокотемпературного СКВИДа включает идентичные и параллельно соединенные первый и второй джозефсоновские контакты, образованные в слое высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) и размещенные вдоль бикристаллической границы подложки, и входной индуктивный элемент, включенный между смежными токоподводами джозефсоновских контактов. Дополнительно введены третий и четвертый джозефсоновские контакты, причем критический ток первого, второго джозефсоновских контактов совпадает, третьего - меньше этой величины, а четвертого контакта - превышает эту величину. Слой ВТСП имеет форму дорожки, которая дважды пересекает бикристаллическую границу и образует замкнутый контур с упомянутым индуктивным элементом, расположенным по одну сторону бикристаллической границы. Третий и четвертый джозефсоновские контакты размещены в местах пересечений упомянутой дорожки с бикристаллической границей, а ширина дорожки в месте размещения четвертого контакта превышает одноименную для третьего контакта. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к приборам с использованием сверхпроводимости, в частности к приборам с переходом между различными материалами с использованием эффекта Джозефсона. Указанный результат достигается тем, что предложен способ формирования тонкопленочных микромостиков, в котором наносят сверхпроводящий материал на подложку через маску, при этом в качестве маски используют пластины из тугоплавких материалов заданной геометрии, между остриями пластин при начальной фиксированной температуре T1 формируют величину первичного фиксированного зазора d1 и его геометрию, рассчитывают величину вторичного зазора, получаемой ширины микромостика d2 в зависимости от конечной фиксированной температуры T2 по формуле d2=d1-{α1L1(T2-T1)+α2L2(T2-T1)}-α3{(L1+L2+d1)(T2-T1)}, где: L1 - расстояние от линии фиксации первой пластины до зазора, L2 - расстояние от линии фиксации второй пластины до зазора, T1 - начальная фиксированная температура, T2 - конечная фиксированная температура, α1 - температурный коэффициент теплового расширения первой тугоплавкой пластины, α2 - температурный коэффициент теплового расширения второй тугоплавкой пластины, α3 - температурный коэффициент теплового расширения подложки, затем производят: нагрев, напыление или лазерную абляцию сверхпроводящего материала фиксированной длительности t и фиксированной энергии E, определяющих конечную фиксированную температуру T2. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Технический результат изобретения состоит в увеличении изменения амплитуды критического тока перехода под действием малого магнитного потока по сравнению с предыдущими геометриями, что открывает возможности для миниатюризации сверхпроводящих элементов памяти. Дополнительный технический результат изобретения состоит в возможности обеспечить достаточно высокую характерную частоту джозефсоновской гетероструктуры, и, как следствие, достаточно высокое быстродействие элемента памяти на ее основе. Высокочастотный сверхпроводящий элемент памяти, выполненный в планарной, торцевой или мостиковой геометрии, состоит из двух сверхпроводящих электродов и области слабой связи, включающей магнитные слои с непосредственной, туннельной или резонансной проводимостью и сверхпроводящий слой между ними. Отличие от известных ранее джозефсоновских SFS структур состоит в том, что при изменении направления намагниченности одного из магнитных слоев в сверхпроводящей пленке, локализованной в области слабой связи между магнитными слоями, происходит фазовый переход из нормального состояния в сверхпроводящее или из сверхпроводящего в нормальное. 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к криогенной электронике, представляет собой джозефсоновский 0-π переключатель и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах, в устройствах сверхпроводниковой электроники. Устройство выполнено по планарной технологии и состоит из двух сверхпроводящих электродов и области слабой связи, включающей магнитный слой с непосредственной или резонансной проводимостью, слой изолятора и сверхпроводящий слой между ними, а также два вспомогательных сверхпроводящих подвода для задания тока через магнитный слой. Техническим результатом является изменение величины критического тока джозефсоновской гетероструктуры под действием малого токового сигнала по сравнению с предыдущими геометриями, а также возможность переключения между состояниями с разными знаками критического тока, возможность обеспечить достаточно высокую характерную частоту джозефсоновской гетероструктуры и, как следствие, достаточно высокое быстродействие элемента памяти на ее основе. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Использование: для измерения слабых магнитных потоков. Сущность изобретения заключается в том, что флаксонный баллистический детектор включает генератор одноквантовых импульсов, приемник одноквантовых импульсов со схемой сравнения, две джозефсоновские передающие линии, соединяющие генератор и приемник, соединенные сверхпроводящей перемычкой, связанной магнитным образом с объектом исследования. Технический результат: обеспечение возможности реализации измерения сверхслабых сигналов. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх