Переключение тонких пленок NbN и YBaCuO импульсами тока и лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

61: м-г/мвг-з

МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Милостная Ирина Ивановна

ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК NbN И УВаСиО ИМПУЛЬСАМИ ТОКА И ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Е.М. Гершензон;

доктор физико-математических наук, профессор Г.Н. Гольцман

Москва 1999

Содержание

Стр.

Введение....................................................................................................7

Глава 1. Механизмы 8-IV-переключения сверхпроводниковых пленок. Обзор литературы.....................................................................20

1.1. Управление состоянием сверхпроводника и механизмы отклика пленок на управляющее воздействие...............................................................................21

1.2. Токовое переключение сверхпроводящих пленок.....................................24

1.3. Оптическое переключение сверхпроводящих пленок...............................27

1.4. Болометрический эффект и эффект однородного электронного разогрева............................................................................................29

1.4.1. Болометрический эффект..................................................29

1.4.2. Эффект электронного разогрева..........................................................32

1.4.3. Соотношение болометрического эффекта и эффекта электронного разогрева. Сходство и различие эффектов......................................................34

1.5. Принципы работы приборов, основанных на электронно-разогревном эффекте (НЕВ)......................................................................................................36

1.5.1. Применение тепловой модели для описания НЕВ............................36

1.5.2. Основные уравнения двухтемпературной модели..............................42

1.5.3. Импеданс НЕВ.......................................................................................44

1.6. Механизмы возникновения неоднородного резистивного состояния сверхпроводящих пленок.....................................................................................46

1.6.1. Резистивные домены и горячие пятна................................................46

1.6.2. Центры проскальзывания фазы...........................................................50

1.6.3. Движение магнитных вихрей...............................................................51

1.6.4. Резистивность сильно неоднородных (гранулированных) пленок...53

1.7. Выбор объекта исследования и постановка задачи..................................55

Глава 2. Методика экспериментальных исследований......................57

2.1. Исследуемые образцы...................................................................................58

2.1.1. Образцы 1ЧЬК...........................................................................................58

2.1.2. Пленки ВТСП..........................................................................................60

2.1.3. Определение характеристик и отбор образцов.....................................64

2.2. Методика изучения Б-ТЧ-переключения пленок №>М импульсами тока. 72

2.3. Методика исследования процесса 1Ч-8-перехода пленок по окончании импульсного воздействия.....................................................................................79

2.4. Методика исследования процессов 8-1Ч-переключения пленок №>М под действием импульсов лазерного излучения.......................................................84

2.5. Выводы...........................................................................................................89

Глава 3. Б-ТЧ-переход в тонких пленках Г»ШЧ при импульсном токовом и оптическом воздействиях....................................................90

3.1. Состояние пленок ИЬИ в зависимости от положения рабочей точки на ВАХ &

3.2. 8-]Ч-переключение пленок импульсами тока..................................93

3.2.1. Результаты экспериментального исследования переключения пленок ММ импульсами тока.........................................................................93

3.2.2. Времена переключения и процессы, происходящие в пленках

при импульсном токовом воздействии..........................................................100

3.2.3. Возможности сокращения времени 8-1Ч-переключения...................106

3.3. Оптическое переключение пленок №>К.................................................107

3.3.1. Электронно-разогревная модель воздействия на сверхпроводниковую пленку импульсного оптического излучения...........107

3.3.2. Результаты экспериментального исследования совместного действия на пленки ТЧЬЫ импульсов тока и лазерного излучения............110

3.3.3. Применение тепловой модели и модели электронного разогрева для сравнения процессов токового и оптического переключения....................116

3.4. Перспективы применения НЕВ-переключателей с оптическим

управлением........................................................................................................120

3.6. Выводы.......................................................................................................121

Глава 4. Субнаносекундное в - N и N - Б переключение пленок УВаСиО под действием импульсов тока.............................................123

4.1. Результаты экспериментального исследования и N-8 перехода в тонких пленках УВаСиО под действием импульсов тока..............................124

4.2. Описание процессов токового переключения пленок УВаСиО в рамках двухгемпературной модели. Роль электронного разогрева............................133

4.3. Возможность проявления нетепловых механизмов переключения пленок УВаСиО..................................................................................................139

4.4. Роль процессов теплопереноса в кинетике сопротивления пленок УВаСиО................................................................................................................140

4.5. Ожидаемый режим работы НЕВ-переюпочателя на основе пленок УЬаСиО................................................................................................................142

4.6. Выводы.........................................................................................................144

Заключение............................................................................................146

Литература.............................................................................................148

Основные обозначения

De - коэффициент диффузии электронов;

се - удельная теплоемкость электронной подсистемы;

cph - удельная теплоемкость фононной подсистемы;

Се - теплоемкость электронной подсистемы;

Cph - теплоемкость фононной подсистемы;

d - толщина сверхпроводниковой пленки;

I - транспортный ток;

1о

с - критическим ток сверхпроводника; Im - ток тепловой неустойчивости; 10 - амплитуда импульса тока; jc - плотность критического тока; jm - плотность тока тепловой неустойчивости; L — длина сверхпроводниковой полоски; /е- длина свободного пробега электронов; Р - мощность;

Pabs - поглощенная мощность;

R- сопротивление проводника;

Ra - поверхностное сопротивление пленки;

R300 - сопротивление проводника при Т=300 К;

Rb - тепловое сопротивление границы пленка-подложка;

Rg - внутреннее сопротивление генератора импульсов;

Ros - внутреннее сопротивление осциллографа;

Sd - площадь падающего излучения;

Т - температура;

Тс - критическая температура сверхпроводника; ДТС - ширина сверхпроводящего перехода;

0 - температура электронной подсистемы;

Tph. температура фононной подсистемы;

U - напряжение на проводнике;

AU - разница напряжений;

W - ширина сверхпроводниковой пленки;

А - параметр порядка;

X - длина волны излучения;

0D - температура Дебая;

р - удельное сопротивление проводника;

та — время разрешения измерительной схемы;

хд - время релаксации параметра порядка;

ть — время болометрического отклика;

Ttjifr - время диффузии электронов в сверхпроводнике;

те8 - время ухода фононов из пленки в подложку;

ir - время возврата фононов из подложки в пленку

Te-Ph - время электрон-фононного взаимодействия;

Tph-e - время фонон-электронного взаимодействия;

х0 - время релаксации электронной температуры;

та - время разрешения аппаратуры;

тр - длительность импульса;

тг. длительность переднего фронта импульса;

tbr. длительность заднего фронта (среза) импульса;

X - коэффициент теплопроводности.

Введение

Одной из актуальных задач цифровой электроники и техники связи является создание сверхбыстродействующей элементной базы, допускающей высокую степень интеграции при малой рассеиваемой мощности. В настоящее время в импульсной электронике уже освоен пикосекундный диапазон длительностей как на базе полупроводниковых элементов, например туннельных диодов и диодов с барьером Шоттки, так и сверхпроводниковых устройств, прежде всего джозефсоновских элементов [1]. Преимущества сверхпроводниковой электроники перед известными типами полупроводниковых устройств неоспоримы с точки зрения минимизации тепловыделения и большей допустимой плотности расположения элементов, а быстродействие сверхпроводниковых устройств может определяться сверхкороткими фундаментальными временами то (постоянная времени джозефсоновского перехода), те-е и Te-ph (времена электрон-электронного и электрон-фононного взаимодействия). Использование высокотемпературных сверхпроводников открывает новые перспективы для практического использования сверхпроводящей электроники за счет перехода из диапазона температур гелиевой области (~4 К), в область азотных температур (~80 К).

Важным направлением радиофизических исследований является создание быстродействующих переключающих устройств пикосекундного диапазона. Исследования в этой области ведутся для различных типов сверхпроводниковых устройств. Наибольшие успехи здесь достигнуты в разработке элементов, принцип действия которых основан на эффекте Джозефсона. Логические схемы на джозефсоновских контактах, работающие при гелиевых температурах, характеризуются крайне малыми временами переключения и низким уровнем потребляемой мощности. В цифровой электронике на этой элементной базе был создан новый класс устройств быстрой одноквантовой логики -RSFQ (Rapid Single-Flux Quantum) [2], на основе которых разработаны цифровые и цифроаналоговые схемы с тактовой частотой превышающей 80 ГГц на базе низкотемпературных сверхпроводников [3], доказана принципиальная возможность развития RSFQ- технологии на основе высокотемпературных

сверхпроводников [4]. Однако технология изготовления джозефсоновских структур сложна, что создает определенные трудности при проектировании и изготовлении ЯБРО большой степени интеграции (>100 джозефсоновских переходов), где необходимым условием является высокая однородность и воспроизводимость параметров используемых пленок.

Другим актуальным направлением является разработка быстродействующих переключающих элементов на основе тонких сверхпроводниковых пленок. Принцип их действия основан на эффекте 8-1Ч-перехода, то есть явлении резкого изменения импеданса сверхпроводниковой пленки при ее переходе из сверхпроводящего состояния в нормальное под действием управляющего сигнала. Для управления состоянием сверхпроводящих тонкопленочных элементов используются различные виды внешнего воздействия: магнитное поле [5], транспортный ток [6], электромагнитное излучение - лазерное и микроволновое [7,8], используются также нелинейные эффекты при воздействии СВЧ-сигнала [9].

Элементы на основе тонких пленок привлекательны из-за относительно дешевой технологии изготовления, простоты управления и допускают высокую степень интеграции. Перенос технических решений на высокотемпературные сверхпроводники не создает принципиальных трудностей. Исследования последних лет показали возможность использования таких элементов на основе как традиционных, так и высокотемпературных сверхпроводников в устройствах коммутации токов, малошумящих ограничителях, модуляторах и фазовращателях СВЧ-сигналов [10,11,12].

Главной характеристикой сверхпроводникового переключающего элемента является его быстродействие, определяемое временами переключения из открытого (сверхпроводящего) в закрытое (нормальное) состояние и обратно, то есть временами 8-К и N-8 переходов. Для ряда применений, например, в ограничителях входного сигнала и обострителях импульсов, достаточно реализовать быстрый переход переключателя в закрытое состояние. В коммутирующих элементах устройств цифровой обработки сигналов необходимо также обеспечить быстрое возвращение переключателя в исходное от-

крытое состояние.

Для сверхпроводящих пленок время Б-Ы перехода определяется механизмом разрушения сверхпроводящего состояния, а время N-8 перехода - механизмами релаксации энергии в пленках. В зависимости от конкретных условий (материала сверхпроводника и подложки, толщины пленки, рабочей температуры, вида и мощности управляющего сигнала) возможна реализация различных механизмов переключения тонкопленочного сверхпроводникового элемента под действием управляющего сигнала.

Импульсное воздействие тока и оптического излучения на сверхпроводниковые пленки широко исследуется радиофизическими методами в течение нескольких десятилетий, как с целью разработки технических устройств, так и для установления природы отклика пленок на управляющее воздействие. В целом механизмы отклика сверхпроводящих пленок на воздействие импульсов тока или электромагнитного излучения в настоящее время можно классифицировать как равновесные (происходящие при равновесии в системе куперовских пар, квазичастиц и фононов), неравновесные (связанные с изменением только электронных состояний) [13,14] или объясняемые эффектами слабой сверхпроводимости (эффектом Джозефсона) [15]. В негранулирован-ных сверхпроводящих пленках при отсутствии слабых связей, возникающих из-за наличия гранул, реализуются два основных механизма отклика: болометрический, связанный с нагревом всей пленки как целого, и неравновесный, связанный с релаксацией энергии квазичастиц [16].

Условием реализации неравновесных эффектов является хороший теп-лоотвод, обеспечивающий быстрый уход из пленки неравновесных фононов. В этом случае возможно существование состояний сверхпроводника, определяемых неравновесными функциями распределения. Неравновесные механизмы можно разделить на два типа.

Первый из них реализуется в "чистых" сверхпроводниках при температуре ниже критической, в которых электрон-фононное взаимодействие доминирует над электрон-электронным. Согласно модели фазового перехода сверхпроводник - нормальный металл под действием сильного оптического

излучения [17], Б-ТЧ-переход пленки связан со значительным изменением электронной функции распределения и возникновением неоднородного состояния с чередующимися областями нормальной и сверхпроводящей фаз [18].

Другой неравновесный механизм отклика характерен для "грязных" сверхпроводников, то есть для тонких сверхпроводящих пленок с малой длиной свободного пробега электронов 1е~\-5 нм [19]. Из-за наличия структурных дефектов в таких пленках электрон-электронное взаимодействие доминирует над электрон-фононным [20]. Неравновесный эффект в "грязных" сверхпроводниках вблизи критической температуры описывается моделью электронного разогрева [21], согласно которой в условиях отвода неравновесных фо-нонов из пленки на внешнее воздействие реагирует только электронная подсистема, а фононная подсистема остается в равновесии с термостатом. В "грязных" сверхпроводниках функцию распределения электронов и в неравновесном случае можно считать фермиевской. Соответственно, электронную подсистему можно характеризовать температурой 0, отличающейся от температуры фононной подсистемы ТР1г [22], а состояние сверхпроводника при внешнем воздействии описывать с помощью двухтемпературной модели [23].

Экспериментально наблюдаемый отклик пленок на управляющее воздействие определяется кинетикой изменения импеданса пленки. Предложено несколько возможных механизмов появления сопротивления в сверхпроводящей тонкопленочной полоске при воздействии тока и электромагнитного излучения. Процессы, за счет которых происходит изменение импеданса образца, можно объяснить образованием резистивного домена [24], образованием центров проскальзывания фазы [25], изменением скорости движения магнитных вихрей [26], распариванием пар вихрь-антивихрь [27 ] или неравновесным откликом на слабых связях [28].

В однородной ситуации изменение сопротивления происходит равномерно по всему объему пленки. В неоднородной ситуации изменение сопротивления происходит локально в "слабых" местах пленки, связанных с пространственной или качественной неоднородностью пленки. Резистивное со-

стояние сверхпроводника не является однородным, так как в этом состоянии сверхпроводник разбивается на нормальные и сверхпроводящие области. Если характерный размер резистивных областей мал по сравнению с размерами пленки, а их число достаточно велико, то такое состояние можно считать квазиоднородным и можно пренебречь пространственной неоднородностью величин, использующихся в тепловой модели: теплоемкостью, тепловыделением, теплоотводом. Для пленок малых размеров необходимо учитывать пространственную неоднородность нагрева, обусловленную особенностями рези-стивного состояния сверхпроводника.

Особый интерес с точки зрения достижения высокого быстродействия сверхпроводниковых устройств представляет принцип действия, основанный на реализации неравновесных эффектов. В последние годы получил развитие новый класс устройств, принцип действия которых основан на эффекте электронного разогрева. Работа этих устройств основана на явлении сильной зависимости сопротивления тонкой сверхпроводниковой пленки от электронной температуры. Основной элемент таких уст