Нелинейные СВЧ свойства тонкопленочных сверхпроводящих туннельных переходов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Введение

Глава I. Обзор литературы.

§ I. Туннелирование квазичастщ и эффект

Дясозефсона.

§ 2. Свойства даозефсоновских туннельных переходов. Характерные параметры.

§ 3. Стохастические колебания в даозефсоновских туннельных переходах.

§ 4. СВЧ устройства на основе сверхпроводящих туннельных переходов.

§ 5. Выводы и постановка задачи исследования 33 £лава 2. Параметры сверхпроводящих туннельных переходов методика тестирования.

§ I. Параметры сверхпроводящих туннельных переходов.

§ 2. Методика тестирования сверхпроводящих туннельных переходов.

§ 3. Обсуждение результатов измерений.

§ 4. Выводы.

Глава 3. Исследование СВЧ свойств туннельных переходов

§ I. Конструкции СВЧ измерительных головок.

Методика измерений.

§ 2. Результаты измерений вольт-амперных характеристик туннельных переходов

§ 3. СВЧ свойства шунтированных туннельных переходов.

§ 4. Выводы.

Глава 4. Стохастические колебания в джозефсоновских туннельных переходах.

§ I.Предмет исследования и методика эксперимента

§ 2. Экспериментальные результаты и их обсуждение.

§ 3. Выводы.

Глава 5. Исследование преобразователей мм волн на сверхпроводящих туннельных переходах, изготовленных на основе пленок ниобия.

§ I. Методика измерений.

§ 2. Результаты измерений и их обсуждение

§ 3. Методы оптимизации характеристик приемных устройств на сверхпроводящих туннельных переходах.

§ 4. Выводы.

Последние достижения микроэлектронной технологии и развитие криогенной техники явились причиной возникновения нового направления в радиоэлектронике - сверхпроводниковой электроники (СЭ). Центральное место в СЭ занимают квантовые макроскопические эффекты, наблюдаемые в сверхпроводниковых микроструктурах. Явление квантовая магнитного потока и эффект Джозефсона уже получили практическое применение в различных сверхвысокочувствительных низкочастотных измерительных приборах на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров. В настоящее время на базе джозефсонов-ских контактов ведутся разработки быстродействующих компактных логических элементов для нового поколения ЭВМ с чрезвычайно низкими уровнями потребляемой энергии.

Настоящая диссертационная работа посвящена экспериментальному изучению нелинейных СШ свойств сверхпроводящих тонкопленочных туннельных структур типа^/Х (сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник) с целью их дальнейшего использования в высокочувствительных приемниках электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн. Заметим, что в силу большой общности требований, предъявляемых к параметрам туннельных переходов (ТП), область применений последних в действительности значительно шире, и результаты настоящего исследования могут быть использованы при создании многих других функциональных устройств, особенно тех, которые основаны на эффекте Джозефсона. Ранее подобного рода исследования проводились на ТП, изготовленных на основе "мягких" материалов. Однако, в связи с ростом прикладного значения сверхпроводниковых туннельных структур особое внимание уделяется эксплуатационным характеристикам ТП, таким как: стабильность параметров при длительной эксплуатации, устойчивость к температурное перециклива-нию от гелиевых температур к комнатной и обратно, условия храненш и т.п. ТП из "мягких" материалов обеспечивают высокие электрофизические характеристики переходов, но уступают по ряду эксплуатационных параметров ТП из тугоплавки?: материалов.

В диссертации исследуются ТП микронных размеров, изготовленные на основе пленок ниобия и нитрида ниобия. Такие ТП, несмотря на ограничения, связанные с большими значениями диэлектрической проницаемости £ ~ 30+40 окислов ниобия, представляют большой интерес из-за своей стабильности, механической прочности, возможности реализации большой крутизны квазичастичной ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ). Более того, применение в качестве базового электрода Д/^ не только улучшает некоторые эксплуатационные характеристики ТП, но также изменяет фораду ВАХ таким образом, что становится возможной реализация нового режима работы ТП (в частности в смесителе миллиметрового диапазона), который недоступен для ТП из "мягких" материалов.

ТП (СМ'Д) представляют собой классический джозефсонов-ский переход, но в то же время, в силу сильной нелинейности зависимости квазичастичной компоненты туннельного тока от напряжения на переходе, не менее перспективным является их использование в качестве резистивного нелинейного элемента. Существенно, что собственная шумовая температура СТП, работающего в режиме квазичасно постоянные Планка и Больцмана.

Естественно, нельзя было обойти джозефсоновские свойства исследуемых СТП. Во-первых, интересны особенности применения эффекта Джозефсона в изучаемых структурах, во-вторых, при исследовании режима квазичастичного туннелирования необходимо знать, какое влияние оказывает при этом туннелирование куперовских пар.

В большинстве случаев для практического применения эффекта тичного туннелирования, близка к квантовому п где £ - частота внешнего воздействия, /7

- 6-- .

Джозефсона необходимыми являются: условие однозначности ВАХ и высокое значение ^ - сопротивления ТП в нормальном состоянии порядка десятков Ом) • Этим условш м удовлетворяют СТП субмикрон' 5 ных размеров с величинами критической плотности тока Jc 10 А/см^. Очевидно, что изготовление таких ТП относительно доступными технологическими методами невозможно. Альтернативным методом устранения гистерезиса на ВАХ является шунтирование СГП резистив-ным шунтом. Такие шунтированные СТП (ШСТП), при условии малости индуктивности шунта, объединяют в себе преимущества стабильных СТП, выдерживающих многократное температурное перецикливание с достоинствами джозефсоновских контактов с непосредственной проводимостью.

Наряду с указанными двумя задачами большой интерес представляет исследование стохастических режимов в джозефсоновских ТП. Известно значительное количество теоретических работ, а также исследований при помощи аналогового и цифрового моделирования. Однако, экспериментальные исследования стохастических колебаний на реальных ТП не проводились. Междзу тем, исследование стохастических колебаний помимо физического, представляет и практический интерес, т.к. позволяет уточнить условия реализации малошумящих режимов различных СВД сверхпроводниковых приборов на основе эффекта Джозефсона.

Диссертация состоит из настоящего введения, пяти глав и заключения. В конце каждой главы приводятся краткие выводы.

Первая глава содержит обзор литературных данных по туннельным эффектам в сверхпроводниковых микроструктурах. Особое внимание уделяется прикладным вопросам изучаемых явлений. В заключении сформулирована задача исследований.

Вторая глава содержит сведения о методике изготовления СТП, методика тестирования и измерения основных электрофизических характеристик. Обосновывается перспективность использования ТП в качестве стабильных нелинейных элементов, как джозефсоновских, так и резистивных.

В третьей главе излагается методика эксперимента, приведены конструкции СШ измерительных головок. В главе обсуждаются результаты исследования взаимодействия СВЧ сигнала с СШ и ШСТП.

Четвертая глава посвящена изучению стохастических колебаний в СТП. Экспериментальные результаты обсуждаются и сравниваются с теоретическими, полученными другими авторами.

Пятая глава содержит результаты исследования смесителей 3-см и 6-мм диапазонов на СТП, работающих в режиме квазичастичного туннелирования. Даны рекомендации для практической реализации малошумящих режимов "квазичастичных" смесителей с малыми потерями преобразования (при неклассическом режиме преобразования с небольшим усилением).

Основные результаты диссертационной работы:

1. Проведено экспериментальное исследование электрофизических свойств сверхпроводящих туннельных переходов, изготовленных на основе пленок тугоплавких материалов - ниобия и нитрида ниобия. Выявлено, что такие СШ стойки к температурному перецикли-ванию, могут раниться в комнатных условиях.

2. Показано, что СШ с невысокими значениями крутизны квазичастичной ветви ВАХ (Ф/й^ 3 -г 5 и менее) в результате шунтирования малоиндуктивным металлическим шунтом так, чтобы ^¿0,5 -обретают однозначную ВАХ при рабочих температурах почти в 2 раза меньших критической и подчиняются модели Асламазова-Ларкина вплоть вплоть до частот 1,5 ис , причем, величина Ос может быть адекватно определена по значению характерного напряжения туннельного перехода ]/0 , измеренного на постоянном токе.

3. Обнаружены и впервые экспериментально исследованы стохастические колебания в джозефсоновских туннельных переходах с. ги-стерезисной ВАХ при наличии внешнего СВЧ воздействия. Экспериментально найденная полоса частот &Ц) существования хаоса в действительности шире теоретической, полученной численными методами в рамках резистивной модели Стюарта-МакКамбера, а ее верхняя граница. смещена в сторону верхних частот. Получено экспериментальное подтверждение теоретически предсказанного предположения, что существуют условия, при которых возможно не только подавление, но и. "'стимулирование" хаоса в СШ постоянным токовым смещением.

4. Исследованы процессы преобразования на СШ Д в 3-см и 6-мм диапазонах волн. Впервые на туннельных переходах, изготовленных на основе тугоплавких материалов, в миллиметровом диапазоне длин, волн был реализован квантовый процесс преобразования с усилением"'! г 2 дБ в режиме квазичастичного туннелирования. Экспериментально оцененная величина собственной шумовой температуры СТП составила ¡иг20 К.

5. Показано, что в. квантовом резжстивном смесителе, настроенном на минимум потерь преобразования, происходит увеличение коэффициента шума из-за более интенсивного преобразования на промежуточную частоту собственных шумов, чем полезного сигнала.

6. Выработаны рекомендации по использованию-чГ АГ СТП в режиме квазичастичного туннелирования, в том числе и с учетом особенностей ■туннельных переходов с ниобиевым базовым электродом.

1.Giaver 1.Energy gap in superconductors measured by electron tunneling.-Phys.Rev.Lett.,I960. v.5» N8,p.147-148.

2. Giaver I. Electron tunneling between snperconductors.-Ph.ys. Rev. Lett., I960, v.5, N11, p.464-466.

3. Bardeen J., Cooper L., Schrieffer J.R. Theory of Superconductivity.- Phys. Rev., 1957, v.108, N5, p.II75-I204.

4. Cohen M.N., Falicov L.M., Phyllips J.C. Superconductive tunneling.« Phys. Rev. Lett., 1962, v.8, N4,p.316-318.

5. Shapiro S., Smith P.H., Nicol J., Miles J.L., Strong P.F.-IBM J. Res. Develop., 1962, v.6, p.34.

6. Солимар Л. Туннельный эффект в сверхпроводниках и его применение*.- Москваг Мир,, 1974 * 430 с*

7. Dayem А.Н., Martin R.J. Quantum interaction of microwave radiation with tunneling between superconductors.- Phys. Rev. Lett., 1962, v.8, N6, p.246-248.

8. Hamilton C.A., Shapiro S. RF-induced effeotsin superconductivity tunnel junctions.- J.Appl. Phys., 1961, v.32, N13,p. 46I-469.

9. Кулик. И.0.,, Яне он И.К. Эффект Дкозефсона в сверхпроводящих туннельных переходах. Москва, Наука,, 1970* 272 е.

10. Piske M.D. Temperature and magnetic field dependences of the

11. Josephson tunneling current.- Rev. Mod. Phys., 1964, v.36, HI,p.221-222.

12. J.Appl. Phys., 1968, v.39, N7, p.3II3-3II8.

13. Prober D.E., SluskyS.E.,HenryR.W.,JackelL.D. Simulation of

14. V curves of small tunnel junctions.-J.Appl.Phys, 1981, p.4145.

15. Zorin А.В., Likharev K.K., Turovets S.I. Dynamics of Josephson tunnel junctions with a finite-width Riedel peak.- 1ЕЕБ Tr. Mag., 1983, v. 19,N3, p.629-632.

16. Hansmaa P.K., Rochlin G.I., Sweet J.N. Externally shanted Josephson junctions: generalized weak links.- Phys. Rev., 1971» v.B4, N9, p.3003-3014.

17. Асламазов Л J?., Ларкин. A.H- Эффект Джозефсона в точечных сверхпроводящих контактах.- Письма, в жэт®, 1969 ,т .9 rJ£2rc »150-154.,2 9. Лихарев К.К., Ульрих Б Л. Системы с джозефсоновскими контактами-- Изд. ЩУ, 1978,. 447с.

18. Hansmaa Р.К., Rochlin G.I., Sweet J.N. Josephson weak links: shanted-junctions and mechanical model results.- J.Appl. Phys., 1972, v.43, Nil, p.4721-4727»

19. Gundlach K.H., Kadlec J. Resistively shanted Josephson tunnel junctions.- Sol. St. Comm.,1978, v.25,N12, p.II49-II5I.,

20. Рабинович М.Й. Стохастические колебания и турбулентность. -У®„ 1978, Т.Х25,: Ж,, с.123-168.

21. Пиковский А.С., Рабинович М.И.Нелинейные волны. Москва,

22. Наука, 1979, 360 с. 34*Huberman В.А., Crutchfield J.P., Packard N.M. noise phenomena in Josephson junctions.- Appl. Physp Lett., 1980, v.37, N7, p.750-752.

23. Pedersen N.F., Davidson A. Chaos and noise rise in Josephson junctions.- Appl. Phys Lett., 1981, v.39, N 10, p. 830-832.

24. CirilloM., Pedersen N.P. On bifurcations and transition to chaos in a Josephson junctions.-Phys. Lett., 1982, V.A90, N3, p.150-152.. -110

25. Kautz R.L. Chaotic states of rf-baised Josephson junctions.-J.Appl. Phys., 1981, v. 52, N10, p.6241-6246.

26. Chaudhari P. Hillock groth in thin films.- J.Appl. Phys., 1974, v.45, N10, p.4339-4346.

27. Havemann R.H., Hamilton C.A., Harris R.E. J.Vac. Sci. Tech-nol.,1978, v.15, N2, p.392-395.

28. Kohler H.-J., Bluthner K., Linke S., Weber p., Albrecht G. Some properties of miniature NNfy junctions.-Phys. Stat. Sol., 1978, v.A49, N2, p.569-572.

29. Greiner J.H. Josephson tunnel barriers by RF sputter etching in a oxygen plasma.- J.Appl.Phys.,1971, v.42, N12, p.5I5I-5I55i

30. Greiner J.H. Oxidation of lead films by RP sputter etching in a oxygen plasma.- J.Appl. Phys., 1974, v.45, N1, p.32-37.

31. Basavaiah s., Eldridge J.M., Matisoo J. Tunneling in fb" 0x. junctionz.- J.Appl. Phys., 1974, v.45, N1, p.457-464.

32. Nordman J.E., Owen S. Application of intrgrated circuit technology to the fabrication of large number of /\/i> based Josephson junctions•— IEEE Tr. Mag., 1975, v.II, N2,p.774-777.

33. Howard R.E., Hu E.L., Jackel L.D. Self-aligned thin film structures with IOOOA resolution.- Appl. Phys. Lett., 1980, v.36, N2,p.I4i-I43.

34. Howard R.E., Hu E.L., Jackel L.D., Fetter L.A., Bosv:crth R.H. Small area high- current-density Josephson junctions.- Appl. Phys. Lett., 1979, v.35, N II, p.879-881.

35. Tucker J.R., Millea M.F. Photon detection in nonlinear tunneling devices.- Appl. Phys. Lett., 1975, v.26, N5,p.5IO-5II.

36. Tucker J.R. Quantum limited detection in tunnel junction mixers.- IEEE J.QE, 1979, v.I5, N II, p. 1234-1258.

37. Tucker J.R. Predicted conversion gain in superconductor-insulator-superconductor quasiparticle mixers.- Appl. Phys Lett.,1980, v.36,N6,p.477-479.

38. Richards P.L., Shen T-M.Superconducting devices for millimeter wave detection, mixing and amplification.- IEEE Tr. ED, 1980, v.27, N10, p.I909-I920.

39. Shen T-M., Richards P.L.Computer simulations of the performance of quasiparticle heterodyne mixers.- IEEE Tr.,I98I, v.MAG-17, p.677-683.

40. Smith A.D., Richards P.L. Analitic solutions to superconductor-insulator-superconductor quantum mixer theory.- J.Appl. Phys., 1982, v.53, N5, p.3806-3812.

41. Richards P.L., Shen T-M., Harris R.E., Lloyd P.L. Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions.- Appl. Phys. Lett., 1979,v.34, H9,p.345-347.

42. McGrath W.R., Richards P.L., Smith A.D., van Kempen H., Batchelor R.A., Prober B.E.,Santhanam P. Large gain, negative resistance, and oscillators in superconducting quasiparticle heterodyne mixers.- 1981, v.39,N8,p.655-659,Appl. Phys. Lett.

43. Phyllips T.G., Woody D.P., Dolan G.J., Miller R.E., Linke R.A.

44. Dayem- Martin (SIS-tunnel-junctions) mixing for low noise heterodyne receivers. IEEE tr. Mag.» 1981, v. MAG- 17, N1, p. 684-690.

45. Shen T.-M. Conversion gain in millimeter wave quasi-particle heterodyne mixer.- IEEE J. QE, 1981, v.QE-17> p.1151-1165.

46. Seidel P., Richter J.Theoretical investigation of current-voltage characteristics of Niobium-Lead tunnel junctions.-Pbys. Stat. Sol., 1980, v.98(B), N1, p.189-197.

47. Meyer H.-G., Seidel P.Theoretical investigations of current voltage amplitudes of Niobium-Lead tunnel junctions.- Phys. Stat. Sol., 1981, v.103(B>, N1, 281-287.

48. Broom R.P., Jaggi R#, Laibowits R.B., Mohr Т.О., Walter W. Thin-film Josephson junctions with Nb electrodes.- I/E-14,v., p.172-175.

49. Rudner S., Feldman M.J., Kollberg E.K., Claeson T. Superconductor-insulator-superconductor mixing with arrays at millimeter wave frequencies.- J.Appl.Phys., 1981, v.52, N10,p.6366 6376.

50. Gundlach K.H., Hartfuss H.J., Kahada S. Photon assisted tunneling and. frequency mixing .in SIS junctions. Munchen, 1982, (Max-Plank Inst. Phys.&Astrophys. MPA 21), 31 p.

51. A66. iydamtOB B.H., Константинян К.И., Кошелец В.П. Исследование шунтированных туннельных переходов. !ТФ 1983, т.53, 1В8, с. 1639 - 1643.

52. Broom R.E., Raider S.I., Oosenbrug A., Drake R.E., Walter W. Niobium Oxide-Barrier Tunnel Junctions.- IEEE Tr. ED, 1980, V.ED-27, N10, p.1998-2008.

53. Ginsberg D.M,, Harris R.E., Dynes R.C. Strong-Coupling Correction to the Low-Frequency Electrical Condactivity of Superconductors and Josephson Junctions.-Phys. Rev., 1976, v.B14, N3, p.990-992.

54. Bostok J., Lo K.H., Cheuney W.N., Piadink V., Rose R.M., Maevicar M.L.A. Phys. Rev, Lett., 1976» v.56, p.603.

55. Ambegaokar V., Baratoff A. Tunneling Between Superconductors. Plays. Rev. Lett., 1963, v.10, N11, p.486-489. Correction -v.11, N2, p.104.

56. Morita S., Noguchi Т., Takaki S., Horii S., Imai S.t Takeu-ti Yo., Mikoshiba N. Correlaton Between Types of Junctons and

57. Submillimeter-Wave Respons in Point-Contact Josephson Junctions.- Jap. J.Appl. Phys*, 1982, v.21, N1,p.71-76.

58. A74. Губанков B.H.,, Константинян К.И., Кошелец В.П., Овсянников Г.А. Исследование СВЧ свойств сверхпроводящих переходов в режиме квазичастичного туннелирования. Письма в ЖТш, 1982, т. 8, В 24,. с. I4S8 - 1501.

59. А75.Выставкин А.Н., Рубанков В.Н., Константинян К.И., Кошелец В.П. Исследование СВЧ свойств шунтированных туннельных переходов.-Тез. док. Всесоюз. сов. физ. низ. тем., НТ-22, 1982, с.121-122.

60. Лихарев К.К., Семенов В.К. Влияние флуктуации на СВЧ импеданс точечных сверхпроводящих контактов.- РТ и Э, 1973, т. 18, Ш, с. 1757 1759. .

61. Маттей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, Согласующие цепи и цепи связи.- Москва. Связь, 1971, т.1, 440 с.

62. Cook C.F., Everret G.E.Microvave photon interaction with superconducting tunnel currents.- Phys. Rev., 1976, v.159, N2, p374 382.

63. Phys., 1981, v.44 , N3/4, p.282-293.

64. A84. 1убанков B.H., Зиглин С.Л., Константинян К.й., Кошелец В.П.,

65. Овсянников Г.А. Стохастические колебания в джозефсоновских туннельных переходах. ЖЭТФ, 1984, т.86, Ж, с. 343 - 351.

66. А85. Губанков В.Н., Константинян К.И., Кошелец В.П., Овсянников Г.А. Хаотическая неустойчивость в туннельных джозефсоновских переходах. Письма в ЖТФ, 1982, т. 8, J82I, с. 13321335.

67. Залогин В.Я., Кислов Н.Н., Мясин Е.А. Исследование стохастических автоколебательных процессов в автогенераторах с запаздыванием. Рт. и Э., 1979, т.24, Ш 6, с. III8 - ИЗО.-11587» Huberman B#A., D^umeres D.f Beasley M.R., Libraaber A,

68. Chaotic states and routs to chaos in the forsed pendelum.-Phys. Rev., 1982, V.26A, p. 3483-3496.

69. A88. Gubankov V.N., Konstsntinyan К. I., Koshelets V.P., Ovsyan-nikov G#A. Chaos in Josephson ¿junctions.- IEEE Tr. Mag., 1983, v.MAG-19, N3, p.637-639.

70. Эткин. B.C., Гершензон E.M. Параметрические системы на полупроводниковых приборах. Сов. Радио, М., 1964,352 с.

71. Kauts R.L. The ас Josephson effect in hysteretic junctions rsnge and stabiluty of phase lock.- J.Appl. Phys., 1981, v. 52, p.3528-3541.

72. Auracher F., Van Duser Y. Mixing in superconducting weak links numericsl calkulations and experimental resalts.-Rev. Phys. Appl., 1974, t.9, N1, p.233-241.

73. Blaney T.G., Gross N.R., Knight D.J.E., Edwards G.J.,Pearel P.Rp Frequency measured at 4.25 TEz (70,5m) using a Joseph-son harmonic mixer and phase-lock teqniques.- J.Phys., 1980, v.D13, N3, p.1365-1370.

74. Robert F., Miracky, Clarkr J. Simulation of the noise rise in three-photon Josephson parametric amplifiers.- Appl. Phys. Lett., 1985, v.43, N5, p.508-509.

75. Smith A.D., McGrath W.R., Richards P.L., Lloyd F.L., Prober D.E., Santhanam P. Microwave mixing and direct detection using SIS and SIS* quasiparticle yunnel junctions.-IEEE (Dr. Mag., 1983^ H3, MAG-19, p.490-493.

76. Broom R.F., Kotyczka W., Moser A. Modelling of characteristics for Josrphson junctions having nonuniform with or Josephson current density. -IBM J.Res.& Develop., 198o, v.24, N2, p.178-187.

77. Lahiri S.K., Basavaiah S., Kircher C.J. Lead alloy Joseph-son junctions with Pb-Bi countereletrocLes.- Appl. Phys. Lett., 1980, v.36, N4, p.334-336.-119-ПРШЮЖЕНЙЕ 2

78. Кривая I получена для I р =0 и -Л. =1, а кривая 2 для 1о =0 и -П. =0,4 по графическим зависимостям (/«) работы 92. Видно, что уменьшение может быть учтено по (24), начиная с 0,4.