Сверхпроводящее электронное устройство и способ его изготовления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК Е ИЗОБРЕТЕ ОПИСАНК АВТОРСКОМ ЕТЕЛЬСТВУ 2 и в ГОСУДАРСТВЕН ЮЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Институт радиотехники и электроники АН СССР(56) КосЬ В,Н, ет а, Оиапвв пгегегепсе бечсез ваде 1 гов зирегсопдост)пц ох)бе йи 6 вз. - Арр. РЬуз.ец, 1987, ч. 51, М 3, р, 200-202.6 аа 9 Ьег ЮТ, ет а. РаЬГ)сатоп апб 77 К орегатоп о 1 ов позе сЬи йв бе ЯСОз - Ехс. АЬыгастз о 1 )БЕС 89, 1989, ТОКуо, р.477-481. 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 электромагнитнбгб излучения и датчиков магнитного потбка, особенно при изготовлении этих устройств из сверхпроводящих материалов с высокой критической температурой и, соответственно, с малыми величинами длины когерентности.Известно сверхпроводящее электрон- ное устройство; в котором имеются сверх- проводящие электроды и сверхпроводящие мостики. Электроды и мостики, входящие в состав этого устройства, выполнены иэ поликристаллической тонкой пленки ЧВаСиО. Размеры мостиков выбираются исходя иэ(54) СВЕРХПРОВОДЯЩЕЕ ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ(57) Использование: приборостроение, микроэлектроника; Сущность изобретения: электроды выполйены из монокристаллического сверхпроводника, а мостики - из поликристаллического, Размер мостиков - больше размера зерен, но меньше перколяционной длины. Подложку выполняют моно- кристаллической, а в местах нахождения мостиков - поликристаллической. Сверх- проводник формируют при условиях, обеспечивающих эпитаксиальный рост , сверхпроводящей пленки на монокристаллической подложке, 6 ил.М необходимых значений критических токов мостиков в предположении наличия у таких мостиков джозефсоновских свойств. Изготовление такого рода устройств заключается в напылении поликристаллической пленки на всю поверхность изолирующей подлОжки и формировании из нее мостиков и электродов.Наиболее близкими по технической 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 мкмМостики и электроды выполнены из поликристаллической крупнозернистой ленки высокотемпературного сверхпроодника ТВаСаСцО с размером зерена"до40 мкм, При этомразмер а мостика были материала, а длина, ширина и толщина моменьше характерного размера зерна "а" ,и в стика выбраны большими ры ольшими размера зерна вмостике возможно выделение одного меж- поликристаллическом материале, но не презеренногоджозефсоновского перехода, оп- вышающими перколяционную длину в сисределяющего джозефсоновские свойства 5 теме из межзеренных переходов вмостика, поликристаллическом сверхпроводящемОписанное устройство представляетсо- материале.бой сверхпроводящий квантовый интерфе- Указанная цель достигается также тем,ренционный датчик (СКВИД). Отмечается,что в известном способе, заключающемся вчто джозефсоновские свойства мостиков, 10 нанесении на изолирующуюподложкуп е обходимые для работы всего устройства ки из сверхпроводникового материала и поСКВИД, обеспечиваются за счет слабых следующемформированииизнее мостиковсвязей между зернами пленки. Для улучше- и электродов, подложку выполняют из монония стабильности предложено уменьшить кристаллического материала, в местах будуплощадь электродов, что приводит к пони щего расположения мостиков наносят нажению гистерезиса на сигнальных характе- нее поликристаллический изолирующийристиках устройства, но не устраняет его слой, после чего на всю подлокку наносятсверхпроводящую тонкую пленку при услоИзготовленивустройствазаключаетсяв виях, обеспечивающих эпитаксиальныйтом; что на всю изолирующую подложку на 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 сверхпровоинт рференционноготур квантования и места подсоединения дящего квантового интерференвнешней схемьь":" 25 датчика СКВИД). На фиг, 1 представлено. Недостатком устройства и способа яв- сверхпроводящее электронное устройстволяютсязначительные шумы. Кроме того, на СКВТД согласно изобретению. СКВИД созависимости отклика этакого устройства . держит два мостика 1, 2, выполненных иэот внешнего магнитного потока Ф все жеполикристаллического матматериала,наблюдаются нерегулярныеучастки и гисте ЧВа 2 Сиз 01-8, и электродов 3, 4, соединяюс 1, Это хрезйс при изменении направления потока щих мостики друг с другом та бто ухудшает стабильность работы уст- что электроды 3, 4 составляют контур сройства, особенно в режимеСКВИД 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 ЧВагСозОт-Д, нанеСеннойва существует значительная вероятность . непосредственно на монокристаллическуютого. что в область мостика не попадает изолирующуюподложку 5 изМоО.Мостикимежзеренный переход, и поэтому разброс 1, 2 имеют ширину чч = 15 мкм, длину 1= 15параметров мостиков будет большим. При мкм и толщину 1 - 1 мкм и расположены нареализации такого устройства на основе вы поликристаллических изолирующих слоях 6.сококачественных мелкозернистых сверх, например, из пленки МоО, находящейсяпроводящих пленок с размерами зерна а на монокристаллической подложке 5. Ис 0,1-1 мкм существенно усложняется про- пользуемые поликристаллические пленкицесс приготовления, поскольку требование иэ ЧВа 2 СцзОт, имеют размеры зерен а =малости. размера а мостика относительно 45 0;5 мкм, Электроды 3, 4 и мостики 1, 2 обраразмера зерна а приводит"к необходимости зуют контур 8, который предназначен дляиспользования сложных методов формиро- измерения магнитного потока в СКВИД.вания мостиков с разрешением менее 0,1 Койтакты 9, подсоединенные к электродаммкм;-" " 3, 4, служат для задания тока через СКВИД,Цель изобретения - понижение уровня 50 а контакты 10- для измерения напряженияшумов и повышение стабильности работы на СКВИД.сверхпроводящего электронного устройст- Также в качестве материалов мостиковва, а также повышение воспроизводимости и электродов могут быть использованы друих характеристик.- гие сверхпроводящие материалы с высокимпературУказанная цель достигается тем, что в 55 ми значениями критических темпераустройстве, содержащем сверхпроводящие (15-100 К) и малыми значениями длины коэлектроды и мостики из сверхпроводящего герентности е10-100 А. Среди них, наполикристаллического материала, электро- пример, ИЬИ, ИЬзбе, аЯгСоО, ТВаСаСцОды выполнены из монокристаллического и другие,Работа СКВИД основана на зависимости его критического тока с 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. Джозефсоновские свойства мостиков в данном устройстве . обеспечиваются засчет джоэефсоновских свойств межэеренных переходов в поликристаллической пленке. Вследствие разброса параметров межэеренных барьеров вполикристаллических пленках ЧВа 2 Сиз 07-8 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) , значительно превосходящим размер зерна в пленке, Величина перколяционной длиныизмеряется 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 ЧВаСиО при температуре 83 К представлен на фиг, 2. Наличие пиков на зависимости ЬЧ(х) свидетельствует о наличии хорошо проводящих каналов в пбликристалл ич ес кой пленке ЧВ а 2 Сцз 07-, расположенных на характерной перколяционной длине100 мкм. При выборе размеров Я, 1, меньших перколяционной длиные, создаются благоприятные воэможности для выделения в мостике одного наиболее проводящего пути и мостик, в отличие от обратногослучая И,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 19/, 1, т1 (в нашем случае а = 0,5 мкм,в15 мкм,1=1 мкм, 1.=100 мкм) 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, содержащих контур квантования СКВИД, монокристаллической пленки из-за существенно боле высоких значений магнитных полей, при которых в таких пленках происходит захват потока, позволяет также уменьшить шуглы, наблюдаемые в поликристаллических СКВИД и связанные с взаимодействием магнитного потока в контуреСКВИД 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 10до 10 4ф. (гц 2Пример выполнения способа показанна фиг. 3. Сначала на всю подложку 5 иэ монокристаллического МдО напыляют по ликристаллическую пленку МдО и в местахбудущего расположения мостиков из поли- кристаллической пленки МдО с помощь 1 о фотографии формируют слои 6 и 7, с размерами а,1, не превосходящими перколяцион ной длины Е в поликристаллической пленкеиз ЧВа 2 Соэ 074, образующейся на подложке из поликристаллического МдО (фиг, 3 и 4), Далее на подложку напыляют пленку ЧВа 2 Сцз 07-3 при условиях, обеспечиваю щих эпитаксиальный рост пленки на монокристаллическом МдО,и формируют мостики 1 и 2; а также электроды 3 и 4 (фиг.5 и 6). При этом на поликристаллическом МдО образуются мостики из поликристал лической пленки ЧВа 2 Сцз 07-Д . Получаемые мостики имеют размеры и = = 15 мкм с = 1 мкм, что больше размера зерна а = 0,5 мкм в поликристаллической пленке ЧВа 2 СозОт, но меньше перколяционной 40 длины 1 = 100 мкм в этой пленке, согласноизобретению.Технико-экономические преимуществаизобретения основаны на более высокой предельной чувствительности сверхпрово дящих устройств из-за существенного, приблизительно на порядок, понижения уровня шумов, йа существенной повышении стабильности их характеристики из-эа устранения процессов входа/выхода магнитного 50 потока в мостики и электроды устройства, атакжеа более высокой ооспроизводимости характеристик устройств при массовом изготовлении за счет повышения разглеров мостиков относительно размера зеона по ликристаллического материала мостиков.Формула изобретения 1. Сверхпроводящее электронное устройство, содержащее сверхпроводящие электроды и глостики из сверхпроводящегополикристаллического материала, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышенияуровня шумов, повышения стабильности работы и повышения воспроизводимости характеристик, электроды выполнены из 5монокристаллического материала, а ширина, длина и толщина т мостиков выбраныбольшими размера зерна поликристаллического материала мостика и не превышающими перколяционную длину . в системе из 10межзеренных переходов в поликристааллическом сверхпроводящем материале мостиков. 2. Способ изготовления сверхпроводящего электронного устройства,. заключающийся о нанесении на изолирующую подложку пленки из сверхпроводящего материала и последующем формировании из нее мостиков и электродов, о т л и ч а ю щ и й с я 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 мми Редактор оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул,Гагарина, 10 аказ 4369ВНИИПИ Го Составитель Ю,ДивинТехред М.Моргентал Корректор А.Коэор Тираж Подписноественного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушскэя наб 4/5