Разработка и исследование двухбарьерных джозефсоновских переходов и их применение в сверхпроводниковой электронике тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ИРЭ РАН)

На правах рукописи

БАЛАШОВ ДМИТРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХБАРЬЕРНЫХ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ПЕРЕХОДОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СВЕРХПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

Специальность 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники ИРЭ РАН (Москва, Россия) и в департаменте квантовой электроники Федерального Физико-Технического центра, ПТБ (Брауншвейг, Германия).

Защита состоится 20 февраля 2004 г. В 14 час. 00 мин. на заседании специализированного совета Д002.231.03 в ИРЭ РАН по адресу: 101999, г. Москва, Моховая 11, стр. 7.

Автореферат разослан " 19 " января 2004 года.

Ученый секретарь Специализированного совета Д.002.231.03 при ИРЭ РАН кандидат физ.-мат. наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, Куприянов М. Ю.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Снигирев О.В.

кандидат физико-математических наук Краснополин И.В.

Ведущая организация:

Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина"

(ФГУП НИИФП, Зеленогдрад).

2004-4 24314 -

1. Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Современная сверхпроводниковая электроника — динамично развивающаяся область физики и электроники. К настоящему времени, благодаря достижениям в области высоких технологий, разработан и изготовлен целый класс цифровых сверхпроводниковых устройств, манипулирующих одиночными квантами магнитного потока (БОК схемы). Эти устройства обладают сверхвысоким быстродействием при рекордно малом энерговыделении, что выгодно их отличает от полупроводниковых аналогов, (см., напр., Лихарев и др., [1]). Достигнутые в настоящее время параметры БОК устройств позволяют уверенно прогнозировать их широкое применение в задачах науки и техники, требующих сверхвысоких скоростей цифровой обработки информации.

Ключевым фактором, обуславливающим интерес и перспективность применения сверхпроводниковых цифровых устройств на основе БОК логики, является их сверхвысокое быстродействие при малом энерговыделении. Типичные значения тактовых частот для БОК схем средней степени инреграции (<1000 джозефсоновских переходов) лежат в области до 150 ГГц, а рассеивамая мощность одного логического элемента меньше чем 1 мкВт. В отличии от полупроводниковой схемотехники в сверхпроводниковых цифровых устройствах отсутствуют физические ограничения на миниатюризацию их компонентов вплоть до нанометровых масштабов («50 нм), при достижении которых, влияние кулоновских эффектов на поведение активных элементов в схемах становится доминирующим.

В концепции построения цифровых схем на основе БОК логики основным элементом для генерации и усиления одноквантовых импульсов является джозефсоновский переход (контакт), обладающий однозначной (т.е. безгистерезисной) вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Существует несколько способов изготовления таких контактов. В настоящее время наиболее развитым технологическим решением является изготовление джозефсоновских туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) с внешним шунтированием. В другом подходе

БИБЛИОТЕКА

Й1ШНЙ1

•КА I С.Петербург /у { 3 ОЭ ТвЫумт

контакты со сверхвысокими плотностями критических токов )с « 100-Г-200 кА/см2. Альтернативой могут служить также переходы с непосредственной проводимостью, такие как сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник (СНС) сэндвичи,. В последнее время проявляется значительный интерес к двухбарьерным туннельным контактам сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (СИНИС), Эти элементы сверхпроводниковой цифровой схемотехники обладают практически безгистерезисной ВАХ из-за наличия механизмов внутреннего шунтирования.

В случае использования хорошо развитой технологии внешнего шунтирования туннельных СИС контактов возникает ряд принципиальных проблем. Во первых, наличие внешнего шунтирующего резистора из нормального материала не позволяет эффективно уменьшать площадь элементарной ячейки активного элемента одновременно с миниатюризацией всех остальных компонентов БОК схем. Это накладывает дополнительные ограничения на степень интеграции цифровых сверхпроводниковых устройств. Во вторых, присутствие паразитных индуктивностей в петле шунтирующего резистора ограничивает предельную частоту работы цифровых БОК устройств, фиксируя ее на уровне частота следования

одноквантовых импульсов, Ь значение паразитной индуктивности, величина шунтирующего резистора. Кроме того, учет паразитных индуктивностей вносит усложнения при проектировании топологий цифровых БОК схем.

Повышение плотности критического тока туннельных СИС контактов до уровня снимает необходимость во внешнем шунтировании, так

как приводит к значительному уменьшению эффективной емкости туннельного контакта, ответственной за наличие гистерезиса на ВАХ джозефсоновского перехода. В свою очередь, такой выбор параметров туннельных структур предъявляет экстремально высокие требования как к субмикронному технологическому процессу изготовления джозефсоновских переходов, так и к используемому технологическому оборудованию. Кроме того, разброс параметров туннельных переходов в этой технологии накладывает существенные ограничения на повышение степени интеграции цифровых БОК схем.

В СНС структурах или в переходах с непосредственной проводимостью нет необходимости во внешнем шунтировании, но существует проблема повышения характерного напряжения V контактов, определяющего область рабочих частотно БОК схем на их основе. Типичное значение Усв 20 мкВ, достигнутое в таких структурах соответствует что делает БОК устройства,

базирующиеся на СНС контактах, неконкурентоспособными по сравнению с полупроводниковыми аналогами.

Из вышесказанного ясно, что одним из наиболее перспективных путей повышения существующего уровня степени интеграции сверхпроводниковых БОК схем является применение в качестве активных элементов БОК схем новых типов джозефсоновских переходов, обладающих одновременно и безгистерезисными ВАХ без внешнего шунтирования и высокими значениями характерного напряжения. Двухбарьерные джозефсоновские переходы (СИНИС) имеют возможность удовлетворить всем перечисленным требованиям для применения в цифровой сверхпроводниковой схемотехнике. Следовательно, исследование двухбарьерных джозефсоновских туннельных СИНИС структур, разработка технологического процесса изготовления цифровых БОК схем на их основе и анализ возможности их применения в сверхпроводниковой цифровой схемотехнике, является одной из актуальных задач современной криоэлектроники. Настоящая диссертационная работа посвящена такому исследованию.

В ходе ее выполнения было экспериментально продемонстрировано, что СИНИС структуры обладают одновременно как практически безгистерезисной ВАХ за счет механизма внутреннего шунтирования, так и высоким значением характерного напряжения . К дополнительным преимуществам СИНИС

структур можно также отнести использование СИС технологической базы при их изготовлении.

Развитие новых технологических подходов для реализации цифровых БОК схем требует знания всех параметров, характеризующих технологический процесс и степени их воспроизводимости. Эта информация позволяет проводить предварительное компьютерное моделирование поведения цифровых БОК устройств с целью определения границ работоспособности БОК схем в рамках разработанной

технологии. В связи с этим возникает задача по разработке топологий тестовых структур допускающих оперативное тестирование с целью получения дополнительной информации. Данная задача также была решена в ходе выполнения диссертационной работы.

Цель работы. Основной целью работы являлось проведение комплексного исследования двухбарьерных джозефсоновских СИНИС контактов и изучение возможности их применения в цифровой криоэлектронике на основе БОК логики. В соответствии с поставленной целью задачами работы являлись:

1. Исследование электрофизических и технологических параметров двухбарьерных джозефсоновских СИНИС контактов с целью определения возможности их применения в качестве активных элементов криоэлектронной цифровой схемотехники.

2. Разработка технологического процесса воспроизводимого изготовления двухбарьерных джозефсоновских переходов с параметрами, приемлемыми для проектирования и изготовления сверхпроводниковых цифровых БОК схем высокой степени интеграции.

3. Изготовление основных типов цифровых БОК схем на основе разработанного СИНИС технологического процесса. Определение основных параметров, характеризующих работоспособность изготовленных БОК схем

Научная новизна определяется следующими, наиболее важными из полученных результатов:

1. Впервые, на основе тонкопленочной №/А1 технологии впервые разработан технологический процесс изготовления сверхпроводниковых цифровых БОК схем с активными элементами, представляющими собой двухбарьерные джозефсоновские переходы. Экспериментально доказана возможность изготовления СИНИС структур с плотностью критического тока и характерным напряжением Ус а 250 МкВ с практически безгистерезисными ВАХ.

2. В широком температурном диапазоне проведено исследование электрофизических параметров СИНИС структур. Продемонстрировано совпадение экспериментальных зависимостей характерного напряжения от температуры и

нормального сопротивления с предсказаниями микроскопической теории двухбарьерных переходов [2].

3. Впервые, с применением разработанной СИНИС технологии, был изготовлен целый класс базовых цифровых БОК устройств: DC/SFQ и SFQ/DC преобразователи, Т-триггеры, 8-разрядный сдвиговый регистр, схемы кольцевого тестирования, позволяющих экспериментально определять количество ошибочных переключений Bit Error Rate (ВЕК).

Практическая ценность работы:

Разработан полный технологический цикл изготовления цифровых сверхпроводниковых микросхем с активными элементами на основе двухбарьерных СИНИС джозефсоновских переходов, обладающих безгистерезисной ВАХ за счет механизмов внутреннего шунтирования.

Определены оптимальные параметры полного технологического цикла изготовления цифровых БОК схем на основе двухбарьерных СИНИС переходов.

Продемонстрирована работоспособность ряда цифровых БОК устройств на СИНИС переходах (DC/SFQ и SFQ/DC преобразователи, Т-триггеры, 8-разрядный сдвиговый регистр, схемы кольцевого тестирования).

На основании сравнения полученных экспериментальных результатов с предсказаниями микроскопической теории сделан вывод о возможности повышения предельного быстродействия БОК схем до уровня при условии

дальнейшей оптимизации технологии изготовления СИНИС структур.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены на:

- Трехстороннем Украино-Раоссийско-Немецком семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости, Гетинген, сентябрь 1998 г;

- Международной конференции по сверхпроводниковой электронике (ISEC), Беркли, США, сентябрь 1999 г.;

- Семинарах "Kryoelektronische Bauelemente", Германия, Голландия, 1999, 2000,2001, 2002 гг;

- Рабочем совещании по сверхпроводникой электронике, Университет Твенте, Голландия, апрель 2000 г;

-Международной конференции по прикладной сверхпроводимости (ASC), Вирджиния Бич, США, сентябрь 2000 г;

-Семинаре "Statusseminar Supraleitung und Tieftemperaturtechnik", Гармиш-Паркенкирхен, декабрь 2000 г;

-Семинаре "ONR Superconductor Electronics Program Meeting (SEPM Meeting)", Седона, США, февраль 2001 г;

- Международной конференции по сверхпроводниковой электронике (ISEC), Осака, Япония, июнь 2001 г;

-Европейской международной конференции по прикладной сверхпроводимости (EUCAS), Копенгаген, Дания, август 2001г.

Публикации. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 17 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структра и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы составляет 107 страниц. Она содержит 28 рисунков, 6 таблиц и список цитируемой литературы из 95 работ.

2. Содержание работы:

Во введении обсуждается цель и задачи диссертационной работы, на основе литературных данных приводится обзор результатов последних технологических решений, достигнутых различными исследовательскими группами, для практической реализации цифровых сверхпроводниковых устройств, к которым относятся как цифровые схемы на основе БОК логики, так и программируемые стандарты напряжения.

Первая глава носит обзорный характер. В ней приводится описание физических процессов, лежащих в основе эффекта Джозефсона, дается классификация переходов по типам слабых связей, лежащих в их основе. В этой

главе проведен сравнительный анализ параметров джозефсоновских переходов, реализованных на основе различных технологических процессов.

В §1.1 приведены основные фундаментальные соотношения, характеризующие эффект Джозефсона [3] в сверхпроводниковых туннельных переходах и структурах со слабой связью. С точки зрения практического применения контактов в цифровых схемах БОК логики детально рассмотрена резистивно-емкостная (RCSJ) модель шунтированного идеального туннельного джозефсоновского контакта и особенностей ВАХ перехода в зависимости от значения безразмерного параметра Стюарта-Маккамбера [4]:

где являются критическим током, нормальным сопротивлением и емкостью

туннельного контакта, соответственно. В зависимости от величины данного параметра ВАХ джозефсоновского контакта может принимать как гистерезисный вид (за счет влияния емкости перехода при , так и полностью безгистерезисный

вид (при Д;«1). Также в этом параграфе подробно рассмотрен эффект синхронизации джозефсоновских осцилляции при подаче внешнего гармонического сигнала. Этот эффект играет существенную роль при разработке и реализации различных типов стандартов напряжений [5].

В §1.2 приводится краткий обзор существующих типов джозефсоновских переходов: туннельных переходов на основе сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), переходов с непосредственной проводимостью на основе сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник (СНС) и двухбарьерных переходов в конфигурации сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (СИНИС). Последние являются основным объектом исследования диссертационной работы и эффективно объединяют в себе свойства СИС и СНС контактов. В этом параграфе представлена также и структурная классификация слабых связей для контактов с непосредственной проводимостью: "чистый предел" (clean limit) /» 4пс и "грязный предел" I» (dirty limit), где l длина свободного пробега электрона в нормальном материале, а длина когерентности в нормальном материале.

В §1.3 представлены основные соотношения стационарной микроскопической-теории двухбарьерных контактов [2,6]. Впервые изготовленные и экспериментально исследованные в ИРЭ РАН группой Овсянникова Г.А. [7] двухбарьерные контакты • продемонстрировали хорошее согласие с теоретическими предсказаниями Зайцева А.В. [6] в пределе больших напряжений (дефицит тока) на джозефсоновском переходе У»Уе, где Ув- щелевое напряжение. Однако, изготовленные переходы обладали сверхмалыми значениями величин критического тока, что ограничивало их применение в качестве активных элементов сверхпроводниковой электроники. Экспериментальные результаты, полученные автором в представленной работе, сравнивались с микроскопической стационарной теорией двухбарьерных джозефсоновских переходов, предложенной в [2] и развитой более детально в работах [8,9]. В этом разделе, рассматривается зависимость характерного напряжения Ус СИНИС переходов от температуры и параметра уеп'.

где d толщина, ^ длина когерентности, проводимость нормального материала, а сопротивление каждой из границ в СИНИС контакте. В случае, когда во внутренней нормальной пленке реализуются условия "грязного предела", вид температурной зависимости УсЦТ, уса) существенно определяется ключевым параметром описывающим полное сопротивление двухбарьерной структуры. Таким образом, экспериментальное исследование температурных кривых характерного напряжения СИНИС контактов, обладающих различными плотностями критических токов, дает возможность оценки параметра для каждого из контактов и позволяет сделать заключение о возможности достижения предельного значения характерного напряжения в рамках существующей технологии.

В §1.4 проводится сравнение параметров безгистерезисных джозефсоновских переходов, изготовленных по различным технологиям. В сводной таблице, представленной в конце этого параграфа, наглядно показано, что область применения технологии, базирующейся на двухбарьерных джозефсоновских переходах, достаточно обширна и включает в себя как цифровые устройства на основе БОК логики, так и программируемые стандарты напряжения.

Вторая глава посвящена многослойной технологии изготовления цифровых схем на основе двухбарьерных СИНИС переходов. Кроме того, в этой главе приводится краткое описание и проводится сравнение с СИС технологией, используемой во многих лабораториях. В заключении этой главы описывается структура и приводятся основные характеристики измерительной системы для экспериментального тестирования образцов.

В §2.1 дано краткое описание СИС технологии, как наиболее широко применяющейся различными группами для изготовления сверхпроводниковых БОК схем- На примере технологического процесса, разработанного в ПТБ (Германия) и базирующегося на контактной фотолитографии, приводятся наиболее важные параметры, характеризующие процесс изготовления цифровых микросхем. К таким параметрам относятся воспроизводимость плотности критического тока переходов (определяемая процессом окисления), однородность и разброс значений плотности токов как в пределах одной пластины, так и в пределах одного чипа, а также максимальная неоднородность толщины изоляционного слоя по чипу и по пластине, определяющая разброс значений индуктивностей и их отклонение от номинальных проектных значений.

В §2.2.1 формулируются критерии применимости двухбарьерных СИНИС переходов для использования их в качестве активных элементов в цифровых устройствах.

В §2.2.2 подробно описываются основные технологические операции, цикла изготовления многослойных сверхпроводниковых цифровых микросхем. К ним относятся: процесс напыления как сверхпроводящих тонких пленок так и

пленок из нормального проводника (Cr/Pt/Cr); напыление изоляционных пленок из диоксида кремния (SiO2), а также процессы сухого травления различных материалов, включающие в себя плазмо-химические RIE (Reactive Ion Etching) процессы и процессы физического распыления материала подложки методом ее бомбардировки высокоэнергетическими ионами Аг.

В §2.2.3 детально описывается разработанная автором технология изготовления многослойных цифровых микросхем, на основе СИНИС структур. Особое внимание обращено на формирование туннельной СИНИС структуры методом термического

окисления пленок А1 в атмосфере кислорода, которое происходило без разрыва вакуумного цикла с базовым давлением остаточных газов в камере напыления лучше чем 10-8 мбар и лучше чем 10-7 мбар в камере окисления.

В §2.3 приводится описание экспериментальной установки для тестирования цифровых сверхпроводниковых схем при температуре жидкого гелия 4,2 К. Особое внимание при разработке этой измерительной системы было уделено тщательной фильтрации внешних электромагнитных шумов с частотами вплоть до диапазона СВЧ, а также экранировке БОК микросхемы от магнитного поля Земли, сужающего рабочие диапазоны функционирования БОК схем и существенно влияющего на их работоспособность. Измерения, проводимые в широком диапазоне (1,2 К + 10 К) рабочих температур, выполнялись в криостате откачного типа.

Глава третья посвящена обсуждению экспериментальных результатов, полученных при исследовании как одиночных СИНИС переходов, так и цепочек из таких переходов.

В §3.1.1 представлены вольт-амперные характеристики одиночных СИНИС переходов с различными плотностями критических токов, рамках

разработанной технологии. Продемонстрирована возможность реализации СИНИС контактов с плотностями критических токов вплоть до 40 кА/см2 (соответствующее характерное напряжение 450 мкВ), с сохранением практически безгистерезисных ВАХ (величина гистерезиса не превышает 25% от значения критического тока перехода).

В §3.1.2 приводятся результаты оптимизации процесса изготовления двухбарьерных контактов, необходимых для работы цифровых микросхем. Повышение плотности тока и характерного напряжения СИНИС структур, имеющих следующую конфигурацию слоев может быть

достигнуто как за счет увеличения прозрачности каждого из туннельных барьеров (А1хОу), так и путем уменьшения толщины нормальной прослойки (А1). В результате, оптимизация СИНИС структур с точки зрения повышения плотности критического тока и характерного напряжения контактов, представляет собой многопараметрическую задачу, требующую изготовления и исследования большого количества тестовых образцов. Наибольшее количество экспериментальных

результатов было получено при исследовании СИНИС переходов; имеющих толщину нормального материала ¿/д1«10нм. Варьирование экспозиции Е {Е-р4, где р давление кислорода, а ? время окисления), характеризующей прозрачность туннельных барьеров, происходило в диапазоне значений от 30 Пасек до 120 Пасек. Полученные значения плотностей критических токов и характерных напряжений находятся в следующих диапазонах:

С целью повышения предельных характеристик СИНИС контактов, были реализованы двухбарьерные переходы, с более тонкими слоями разделяющего материала (8 нм и 5 нм). Присутствие пленок из нормального материала (А1) в структуре композитных сверхпроводник-нормальный металл (СН) электродах НИС контактов понижает значение плотности критического тока перехода из-за эффекта близости в области СН границы. С целью уменьшения влияния этого эффекта, в этом параграфе приводятся результаты исследования СИНИС структур со следующими толщинами всех А1 слоев: 8/8/8 нм и 5/10/5 нм. Результаты, полученные для СИНИС структур при таком выборе толщин алюминиевых слоев совпадают, а зачастую и превосходят характеристики переходов, имеющих 10/10/10 нм комбинацию алюминиевых слоев.

В §3.1.3 обсуждаются величина гистерезиса, наблюдаемого у СИНИС переходов, а также причины его возникновения и тенденции, обуславливающие его изменение в широком диапазоне плотностей критических токов контактов. Обобщая результаты, представленные в этом параграфе, и на основе данных, приведенных в работах [10,11], было показано, что ключевым параметром, влияющим на величину гистерезиса, является толщина алюминиевой пленки, разделяющей туннельные барьеры. Величина гистерезиса имеет тенденцию к увеличению в случае уменьшении толщины разделяющего нормального материала при фиксированной плотности тока двухбарьерного перехода. В то же время гистерезис СИНИС контактов при фиксированной толщине внутреннего нормального материала и изменении прозрачности туннельных барьеров, определяющих плотность критического тока, имеет ярко выраженный максимум в области который определяется

временами релаксации квазичастиц в прослойке нормальной А1 пленки, разделяющей туннельные барьеры в СИНИС структуре [12].

В §3.1.4 приводятся результаты измерения температурных зависимостей характерного напряжения двухбарьерных структур, реализованных с различными плотностями критических токов. Сравнение с предсказаниями микроскопической теории СИНИС переходов, описанной в параграфе 1.3, позволяет провести оценку значений параметров представляющих наибольший практический интерес для достижения предельных значений характерного напряжения СИНИС контактов.

В §3.1.5 представлены теоретические зависимости характерного напряжения СИНИС контактов от параметра которые наглядно демонстрируют, что

оптимальным значением параметра является величина порядка 10 с

соответствующим значением характерного напряжения Диапазон

значений параметров полученный в предыдущем параграфе,

свидетельствует о том, что для повышения быстродействия цифровых БОК схем на основе СИНИС переходов возможна (и необходима) дальнейшая оптимизация технологического процесса.

В §3.1.6 рассмотрено воздействие микроволнового излучения (74 ГГц) на поведение ВАХ СИНИС контактов. На основе анализа модуляционных зависимостей критического тока и ступеней Шапиро от амплитуды внешнего микроволнового излучения была показана правомерность применения RCSJ модели для описания поведения СИНИС переходов.

§3.1.7 посвящен рассмотрению вопроса об однородности распределения сверхтока СИНИС переходов по площади туннельного контакта. Исследование зависимостей критического тока СИНИС контактов от магнитного поля, задаваемого внешним соленоидом и их сравнение с теоретическими оценками, свидетельствуют о достаточно однородном распределении сверхтока по площади перехода вплоть до , Таким образом, можно сделать заключение о высоком качестве и отсутствии микрозакороток в туннельных барьерах, лежащих в основе СИНИС контактов.

В §3.2 рассматриваются ВАХ последовательных цепочек СИНИС переходов различной длины и приводятся данные о разбросах плотностей критических токов контактов в пределах чипа и 3-дюймовой пластины. Было отмечено, что величина разброса растет с увеличением плотности критического тока СИНИС структур, что

может быть объяснено увеличивающейся неоднородностью туннельных барьеров при уменьшении как времени окисления, так и давления в камере во время процесса окисления. Были продемонстрированы следующие разбросы

1. ±2% в пределах одного чипа (10x10 мм) и ±5% по 3-дюймовой пластине для СИНИС контактов су'с » 400 А/см2;

2. ±5% в пределах одного чипа (10x10 мм) и ±10% по 3-дюймовой пластине для СИНИС контактов

Полученные величины разбросов параметров двухбарьерных джозефсоновских переходов позволяют рассчитывать на изготовление цифровых БОК микросхем средней степени интеграции джозефсоновских СИНИС переходов).

В §3.3 обсуждается вопрос о практическом достижении предельных значений характерного напряжения СИНИС переходов предсказанных

микроскопической теорией двухбарьерных джозефсоновских структур. Наибольшую технологическую трудность в случае дальнейшего повышения СИНИС

контактов представляет процесс формирования туннельных барьеров, обладающих высокой прозрачностью и требующих сверхкороткого времени < 60 сек и сверхмалых давлений < 0,1 Па во время процесса окисления. Одновременно, большое значение приобретает вопрос об однородности туннельных барьеров, полученных при таких параметрах окисления и об отсутствии в них шунтирующих микрозакороток.

Глава 4 посвящена реализации и определению областей работоспособности целого класса цифровых сверхпроводниковых БОК схем с активными элементами на основе двухбарьерных джозефсоновских СИНИС контактов. Рассматриваемые в данной главе цифровые БОК схемы были спроектированы Хабиповым М. И., изготовлены Балашовым Д. В. и экспериментально исследованы Хабиповым М. И. и Балашовым Д. В. (автором представленной работы).

§4.1 посвящен условиям выбора параметров джозефсоновских контактов, необходимых для их применения в сверхпроводниковой цифровой схемотехнике. На основе измерений вольт-потоковых характеристик двухконтактных интерферометров постоянного тока были получены величины индуктивностей различных типов : сверхпроводниковых № микрополосковых линий. Этот же метод применялся и для

экспериментального определения глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводящие пленки. Было проведено сравнение экспериментально полученных значений индуктивностей со значениями, полученными при использовании различных расчетных программ (L-meter, LL) [13, 14], наиболее часто употребляемых в процессе оптимизации цифровых БОК схем. Наблюдалось хорошее совпадение экспериментальных и расчетных значений индуктивностей для микрополосковых линий с шириной превышающей 2,5 мкм. В случае, когда ширина микрополоска меньше чем 2,5 мкм, расхождение расчетных и экспериментальных значений индуктивностей объясняется увеличением потерь магнитного потока в контуре интерферометра при сравнимых значениях ширины микрополоска и толщины SiO2 пленки, изолирующей микрополосок от сверхпроводникового экрана. В представленных результатах, это соотношение соответствовало w/d = 5 (w ширина микрополосковой линии , d толщина изоляционной пленки).

В §4.2.1 рассматривается экспериментальное исследование работоспособности цифровой БОК схемы для преобразования сигнала потенциальной формы в одноквантовую (DC/SFQ) и обратного преобразования (SFQ/DC). Тестирование показало устойчивую работоспособность в широком диапазоне значений токов питания ±20%.

§4.2.2 объединяет в себе результаты высокочастотного тестирования триггера со счетным входом (Т-триггера). Высокочастотные процессы изучались традиционным способом, согласно которому средняя частота следования одноквантовых импульсов определяется косвенно, по измерению среднего напряжения Было показано, что правильное функционирование Т-

триггера, возможно как при входной частоте следования одноквантовых импульсов меньше характерной частоты переходов схемы так и при

большей, вплоть до 280 ГГц. Схема не требовала дополнительной настройки тока питания для интервала входных частот от постоянного тока до 200 ГГц и обладала следующими областями работоспособности по току питания: ±30% для 40 ГГц и ±20% в диапазоне 130-200 ГГц. Были проведены исследования устойчивости работы Т-триггера в зависимости от магнитного потока, создаваемого дополнительным постоянным током в петле запоминающего интерферометра. Было показано, что

оптимальное значение магнитного потока в петле запоминающего интерферометра составляет величину

§4.2.3 посвящен исследованию работоспособности 8-разрядного сдвигового регистра, со встречным распространением одноквантовых импульсов в линии данных и в линии тактирующих импульсов. Схема была реализована со следующими параметрами СИНИС переходов: Площадь

наименьшего перехода составляла 12 мкм2 и общее количество переходов ~ 70, задействованных как непосредственно в схеме, так и в схемах контроля. Область работоспособности схемы составила ± 15% от оптимального значения тока питания, что меньше значения ±30%, полученного при оптимизации схемы. Такое расхождение объясняется отличием реализованной плотности тока у'ся 750 А/см2 СИНИС контактов, от оптимального значения у'с « 1 кА/см2.

В §4.2.4 представлены результаты по экспериментальному определению вероятности редких сбоев в схемах БОК логики, на основе метода кольцевого тестирования [15] 2-каскадного переключателя, с отдельным током питания, независимым от питания основной схемы. Было показано, что значение параметра БЕЯ, определяющего количество ошибочных переключений цифровых БОК схем, изготовленных на основе СИНИС технологии, не превышает 10-15, что сравнимо с аналогичным параметром для цифровых БОК схем на основе СИС технологического процесса.

3. Основные результаты работы

1. Разработана технология изготовления двухбарьерных джозефсоновских туннельных контактов, обладающих механизмом внутреннего шунтирования и, как следствие, практически безгистерезисной вольт-амперной характеристикой, что делает привлекательным их применение в сверхпроводниковых цифровых устройствах на основе БОК логики. В результате оптимизации технологического процесса были впервые достигнуты следующие параметры СИНИС контактов: Ус ~ 2,2 кА/см2, Ус ~ 250 мкВ.

2. Проведено комплексное исследование электрофизических параметров двухбарьерных СИНИС переходов. На основе модуляционных зависимостей ступеней Шапиро от амплитуды внешнего микроволнового излучения подтверждена правомерность рассмотрения СИНИС контактов в приближении RCSJ модели. Впервые было показано, что распределение сверхтока по площади СИНИС контактов достаточно однородно в широком диапазоне значений плотностей критических токов, вплоть до а разброс СИНИС переходов не превышает величин ±5% в пределах одного чипа (10x10 мм) и ±10% по 3-дюймовой пластине для _/с»2,2 кА/см2. Такие результаты свидетельствуют о хорошем качестве и однородности туннельных барьеров в СИНИС контактах.

3. Продемонстрировано хорошее совпадение температурных зависимостей характерного напряжения двухбарьерных контактов с предсказаниями микроскопической теории СИНИС переходов, что дало возможность определения ключевого параметра Область экспериментально полученных значений параметра лежит в диапазоне

4. На базе разработанной многослойной СИНИС технологии изготовления цифровых БОК схем, экспериментально определены значения индуктивностей сверхпроводниковых микрополосковых линий различной ширины, а также определена глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводящие пленки. Проведено сравнение экспериментальных и расчетных (на основе L-meter и LL программ) значений индуктивностей. Получено хорошее совпадение с расчетом экспериментальных результатов для № микрополосковых линий, имеющих ширину большую чем 2,5 мкм.

5- Впервые, на основе СИНИС технологического процесса, реализован ряд цифровых БОК схем: преобразователи сигнала из потенциальной формы в одноквантовую (DC/SFQ) и обратного преобразования (SFQ/DC); Т-тригтер со счетным входом; 8-разрядный сдвиговый регистр; схемы кольцевого тестирования для определения количества ошибочных переключений (ВЕК). Изготовленные схемы продемонстрировали правильное функционирование с допусками на области работоспособности до ±25%. Величина ВЕЯ не превыш р и температуре

4,2 К.

Публикации по теме диссертации

1. N.N. Iosad, D.V. Balashov, M.Yu. Kupriyanov, S.N. Polyakov, V.V. Rodatis, "Characterization of NbN/AlN/NbN Tunnel Junctions Fabricated without Intentional Heating", IEEE Trans, on Appl. Supercond, vol. 7, pp 2805-2808,1997.

2. P. G. Litskevitch, Anna Yu. Kidiyarova-Shevchenko, D. V. Balashov, R.Dolata. "Design of an RSFQ autocorrelator and experimental testing of the Autocorrelator delay line",Inst. Phys. Con/., Ser.No 158, pp. 445-448,1997.

3. R. Dolata and D. Balashov, Platinum thin film resistors with Cr under- and overlayers for Nb/A12O3/Nb technology, Physica С 295, pp. 247-250, 1998.

4. D, Balashov, F.-Im. Buchholz, H. Schulze, M.I. Khabipov, W. Kessel, and J. Niemeyer Superconductor-insulator-normalconductor-insulator superconductoi (Nb/AlxOy/Al/AlxOy/Nb) process development for integrated circuit applications Supercond. Sci. Techno!. 11, pp. 1401-1407,1998.

5. D. Balashov, M.I. Khabipov, F.-Im. Buchholz, W. Kessel, and J. Niemeyer, SINIS fabrication process for realizing integrated circuits in RSFQ impulse logic, Supercond. Sci Technol. 12, pp. 864-867,1999.

6. H. Schulze, F. Muller, R. Behr, J. Kohlmann, J. Niemeyer, and D. Balashov, SINK Josephson junctions for programmable Josephson voltage standard circuits, IEEE Trans Appl. Supercond. 9, pp. 4241 -4244,1999.

7. M.I. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, W. Kessel, and J. Niemeyer, RSFC Circuitry Realized in a SINIS Technology Process, IEEE Appl. Supercond 9, No. 4, pp 4682-4687, December, 1999.

8. D. Balashov, F.-Im. Buchholz, H. Schulze, M.I. Khabipov, R. Dolata, M.Yu. Kupriyanov and J. Niemeyer, Stationary properties of SINIS double-barrier Josephson junctions Supercond. Sci. Technol. 13, pp. 244-250,2000.

9. F.-Im. Buchholz, D. Balashov, M.I. Khabipov, D. Hagedora, R. Dolata, R. Popel J. Niemeyer, Development of highly integrated SDE circuit applications, Progress Repor on Electrical Metrology at the PTB between 1997 and 2000 on the Occasion of the 22* Meeting of the CCEM, CCEM/00-8, Sect. 1. "Electrical Quantum Standards", part 1.2. pp. 5-7,2000.

10.F.-Im. Buchholz, D. Balashov, M.I. Khabipov, D. Hagedorn, R. Dolata, R. Popel, anc J. Niemeyer, Development of Highly Integrated RSFQ Circuits on the Basis o Intrinsically Shunted Josephson Junctions, Physica С350, p. 291-301,2001.

1 l. D. Balashov, M. Khabipov, F. -Im. Buchholz, and J. Niemeyer, SINIS process developmen for integrated circuits with characteristic voltages exceeding 250 uV, IEEE Trans. Appl Supercond, 11, No. l,pp. 1070-1073,2001.

12.М. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer, High-frequencj performance of RSFQ circuits realized in SINIS technology, IEEE Trans. Appl Supercond. 11, No. l,pp. 1074-1077,2001.

13.F.-Im. Buchholz, D. Balashov, M.I. Khabipov, D. Hagedorn, R. Dolata, R. P6pel, anc J. Niemeyer, Development of Highly Integrated RSFQ Circuits on the Basis o-Intrinsically Shunted Josephson Junctions, Physica С 350, pp. 291-301,2001.

14.M. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer, High-frequencj performance of RSFQ circuits realized in SINIS technology, IEEE Trans. Appl Supercond 11, No. l,pp. 1074-1077,2001.

15.J. Kohlmann, R. Behr, M. Khabipov, H. Schulze, D. Balashov, F. Muller, F.-Im. Buchholz and J. Niemeyer, Entwicklung von integrierten Schaltungen und Messsystemen fur da* Quantenvoltmeter, Supraleitung und Tieftemperaturtechnik 2000, VDI-Verlag, Dusseldorf pp. 223-226,2001.

16.M.I. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer, Bit error rate experiments with RSFQ circuits realised in SINIS technology, Physica С 372-376, pp. 136-138,2002.

Цитируемая литература

1. K.K. Likharev and V. Semenov, logic/memory family: a new Josephson junction technology for sub-terahertz clock frequency digital systems," IEEE Trans. Appl. Supercond. 1, pp. 3-28,1991.

2. M. Yu. Kupriyanov, A. Brinkman, A.A. Golubov, M. Siegel, and H. Rogalla, „Double-barrier Josephson structures as the novel elements for superconducting large-scale integrated circuits," Physica С 326-327, pp. 16-45,1999.

3. B.D. Josephson, „Possible new effects in superconductive tunnelling," Phys. Lett. 1, pp. 251-253,1962.

4. F. Muller, H. Schulze, R. Behr, J. Kohlmann, and J. Niemeyer, „The Nb-Al technology at PTB - a common base for different types of Josephson voltage standards," Physica С 354, pp. 66-70,2001.

5. D.E. McCumber, „Effect of AC impedance on DC voltage current characteristics of superconductor weak link junctions," J. Appl. Phys. 39, pp. 3113-3118,1968.

6. A.V. Zaitsev, „On the theory of superconducting structures S-S'-S and S-Sf-N with potential barriers at the metal interfaces," Physica С185-189, pp. 2539-2540,1991.

7. G.E. Babayan, L.V. Filippenko, GA. Ovsyannikov, O.B. Uvarov, and V.P. Koshelets, „Fabrication and properties of superconducting double-barrier structure," Supercond Sci. Technol. 4, pp. 476-478,1991.

7. G.E. Babayan, L.V. Filippenko, G.A. Ovsyannikov, O.B. Uvarov, and V.P. Koshelets, fabrication and properties of superconducting double-barrier structure," Supercond. Sci. Technol. 4, pp. 476-478, 1991.

8. A. Brinkman and A.A. Golubov, „Coherence effects in double-barrier Josephson junction," Phys. Rev. В 61 (17), pp. 11297-11300,2000.

9. A. Brinkman, D. Cassel, A.A. Golubov, M.Yu. Kupriyanov, M.Siegel, and H. Rogalla, „Double-Barrier Josephson Junctions: Theory and Experiments," IEEE Trans. Appl. Supercond. 11 (1), pp. 1146-1149,2001.

10.M. Maezawa and A. Shoji, „Overdamped Josephson junctions with Nb/AIOx/Al/AlOx/Nb structure for integrated circuit application," Appl Phys. Lett. 70 (26), pp. 3603-3605,1997.

11.H. Sugiyama, A. Yanada, M. Ota, A. Fujimaki, and H. Hayakawa, „Characteristics of Nb/Al/AlOyAl/AlOyNb junctions based on the proximity effect," Jpn. J. Appl. Phys. 36,pp.L1157-L1160, 1997.

12.A. Brinkman, Ä.Ä. Golubov, H. Rogalla, F.K. Wilhelm, and M.Yu. Kupriyanov, „Nonequilibrium charge transport phenomena in double-barrier Josephson junctions," cond-mat/0310420.

13.M. Khapaev.LL: http://cmc.cs.msu.su/dep/vm/sort/vmhap

14.P. Bunyk: L-Meter: http://pavel.physics.sunysb.edu/~paul/lmeter/lmeter.html

15.Neil H.E. Weste and Kamran Eshragian, „Priciples of CMOS VLSI Design/Addison," Wesley Publishing company, 1985.

»-i so е

РНБ Русский фонд

2004-4 24314

Введение 3 1. Основные соотношения в сверхпроводниковой электронике

1.1. Эффект Джозефсона и КСЭI модель

1.2. Классификация слабых связей

1.3. Основные соотношения микроскопической теории 16 двухбарьерных джозефсоновских переходов

1.4. Параметры джозефсоновских переходов в различных технологиях

2. Технологический цикл изготовления сверхпроводниковых цифровых БОК схем и экспериментальная измерительная система

2.1. СИС технология изготовления джозефсоновских туннельных 25 переходов с внешним шунтирующим резистором • •

2.2. СИНИС технология изготовления двухбарьерных джозефсоновских туннельных переходов

2.2.1. Технологические требования

2.2.2. Основные технологические процедуры

2.2.3. Последовательность технологических опрераций 33 при изготовлении цифровых БОК схем на основе СИНИС переходов

2.3. Установка экспериментального тестирования микрочипов

3. Электрофизические свойства двухбарьерных джозефсоновских СИНИС переходов

3.1. Одиночные СИНИС контакты

3.1.1. Вольт-амперные характеристики

3.1.2. Зависимость плотности критического тока и характерного напряжения контактов от параметров окисления туннельных барьеров

3.1.3. Величина гистерезиса на В АХ переходов

3.1.4. Зависимость плотности критического тока и характерного напряжения переходов от температуры

3.1.5. Зависимость характерного напряжения контактов от параметра микроскопической теории /елг

3.1.6. Влияние внешнего микроволнового излучения

3.1.7. Переход во внешнем магнитном поле

3.2. Цепочки двухбарьерных переходов

3.3. Возможности и ограничения на применение СИНИС переходов 66 в схемах высокой степени интеграции

4. Сверхпроводниковые цифровые БОК схемы на основе СИНИС ' технологического процесса

4.1. Требования к параметрам элементов цифровых БОК схем

4.2. Исследование областей работоспособности цифровых БОК

4.2.1. Преобразование одноквантовой формы представления 75 информации в потенциальную и обратное преобразование

4.2.2. Высокочастотное исследование передачи и обработки 80 одноквантовых импульсов в БОК схемах на основе Т - триггера

4.2.3. 8 - битный сдвиговый регистр

4.2.4. Детектирование редких сбоев в цифровых БОК схемах

Интерес, проявляемый к достижениям низкотемпературной сверхпроводниковой электроники, тесно связан с уникальностью физических процессов, лежащих в ее I основе, имеющих квантовомеханическую природу и с рекордными характеристиками криоэлектронных устройств по сравнению с их лучшими полупроводниковыми аналогами. В частности, цифровые сверхпроводниковые устройства демонстрируют сверхвысокое быстродействие (тактовая частота устройств порядка 150 ГГц), обладая при этом сверхмалым значением рассеиваемой мощности (< 1мкВт для элементарной логической ячейки). Последнее обстоятельство делает потенциально возможным достижение сверхвысоких плотностей упаковки элементов в цифровых сверхпроводниковых схемах. Однако, повышение степени интеграции сверхпроводниковых схем требует поиска, разработки и исследования новых технологических решений для миниатюризации всех компонентов схем и определению оптимальных параметров для их использования в актуальных задачах криоэлектроники: метрологии, цифровой схемотехнике для сверхбыстрой обработки информации и т.д. Современная полупроводниковая электроника решает теже задачи, что отражено в прогнозах ведущих специалистов.

В обзоре [SEMATECH 2001] предсказывается, что дальнейшее развитие полупроводниковой технологии позволит расширить к 2013 году полосу рабочих частот цифровых микросхем высокой степени интеграции до 20 ГГц. Диапазон рабочих частот цифровых криоэлектронных устройств на основе прогнозов [Likharev 1997], [SCENET2001] достигнет величины 500 ГГц за тот же период, что наглядно демонстрирует конкурентоспособность сверхпроводниковой электроники на сегодняшний момент времени и в ближайшем будущем. Тем не менее, сильная конкуренция со стороны полупроводниковой технологии в вопросе достижения высоких степеней интеграции микросхем ограничивает применение криоэлектронных цифровых схем в практических задачах, что и отмечено в работе [Van Duzer 1998].

Концепция построения современных цифровых сверхпроводниковых устройств впервые была впервые предложена в работах [Likharev 1985], [Mukhanov 1985] и стала предметом детальных исследований многих исследовательских групп с 1991 года [Likharev 1991].

В цифровых криоэлектронных схемах на основе Быстрой ОдноКвантовой логики (БОК) хранение информации осуществляется с помощью кванта магнитного потока

Фо = й/(2е) в контуре двухконтактного квантового интерферометра постоянного тока. Передача информации от одного логического элемента к другому происходит в форме постоянная Планка, е заряд электрона. Активными элементами цифровых БОК схем являются Джозефсоновские переходы (контакты), обладающие однозначной (т.е. безгистерезисной, Д:«1) вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Для активации цифровых схем на основе БОК логики необходимо задание только постоянного тока питания для каждого перехода в схеме на уровне /в = 0,75 /с. Элементарные схемы БОК логики способны генерировать, хранить и осуществлять передачу сверхкоротких пикосекундных импульсов напряжения. Двоичное представление информации "1" ("0"), следуя работе [ЫкЬагеу 1991], осуществляется по следующей схеме: присутствие информационного импульса между двумя последовательными тактовыми импульсами ' кодируется как логическая "1", а отсутствие как логический "О". Пристальное внимание к сверхпроводниковым цифровым БОК схемам вызвано как возможностью сверхбыстрого переключения активных элементов (типичное время переключения ~ 5 псек) при малой рассеиваемой мощности (< 1 мкВт), так и с практически бездисперсионным распространением одноквантовых импульсов напряжения по линиям передач. Диапазон рабочих температур криоэлектронных цифровых устройств лежит в области температур Г» 4,2 К из-за требования малости уровня тепловых флуктуаций.

Предельное быстродействие элементарных цифровых БОК схем может быть оценено на основе соотношения между частотой следования одноквантовых импульсов и возникаемым средним напряжением на переходе /с = Ус/Фо, где Ус значение характерного напряжения джозефсоновского перехода [ПкЬагеу 1991]. В свою очередь, характерное напряжение зависит от параметров конкретного джозефсоновского перехода Ус = /с-Лк, где /с и Ли величина критического тока и нормальное сопротивление контакта, что наглядно свидетельствует о влиянии параметров активных элементов БОК схем на предельное быстродействие схемы в целом. В цифровых БОК схемах высокой степени интеграции (>1000 активных элементов) предельное быстродействие, как было показано в работе [Кар1ипепко 1995], ограничено следующим соотношением^ах = 0,3-(Рс/Фо).

Развитие современной сверхпроводниковой цифровой схемотехники, как было отмечено в работах [Кирпуапоу 1999], [ВисЫкЯг 2001], [ЭДетеуег 2002], тесно связано импульса напряжения квантованной площади с повышением существующего уровня степени интеграции сверхпроводниковых микрочипов. Одним из наиболее детально разработанных, исследованных и широко применяющихся технологических процессов изготовления джозефсоновских переходов, обладающих безгистерезисной ВАХ, является процесс изготовления , туннельных джозефсоновских переходов на основе тонкопленочного технологического процесса Nb/Al с шунтирующим резистором из нормального материала. Этот технологический процесс демонстрирует хорошую воспроизводимость и малый разброс параметром у туннельных переходов, но ряд принципиальных проблем ограничивает, возможность повышения степени интеграции у цифровых БОК схем на его основе. Наличие внешнего шунтирующего резистора у туннельных контактов не позволяет эффективно повышать степень интеграции микрочипов и, кроме того, ограничивает область рабочих часто БОК схем из-за присутствия паразитных индуктивностей в петле шунтирующего резистора, фиксируя ее на уровне o-R^JL где о> частота следования одноквантовых импульсов, L значение паразитной индуктивности, i?Sh величина шунтирующего резистора. Таким образом, наиболее перспективным технологическим подходом для решения проблемы повышения степени интеграции цифровых БОК схем является разработка и применения новых типов джозефсоновских контактов, обладающих механизмами внутреннего шунтирования, что позволяет эффективно уменьшать размер элементарной ячейки и всего микрочипа в целом. На данный момент времени потенциально привлекательными являются три типа джозефсоновских переходов с точки зрения их возможного применения в цифровой БОК схемотехнике и обладающих однозначными ВАХ без внешнего шунтирования:

- сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник (СНС) [Benzl995], [Burroughs 1999], [Fritzsch 1998, 1999], [Hagedorn 2002], [Lacquaniti 1999], [Moseley 1999], [Popel 2000a, 2000b], [Sachse 1997],

- сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) с высокими значениями плотностей критических токов (jc > 100 kA/смг) [Chen 1998, 1999], [Patel 1999],

- сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (СИНИС) [Behr 1999], [Brinkman 2001], [Capogna 1996], [Cassel 2001], [Kupriyanov 1988, 1999], [Maezawa 1997a], [Niemeyer 2002], [Schulze 1998a, 1998b], [Sugiyama 1997].

Возможное применение СНС контактов в сверхпроводниковой цифровой схемотехнике ограничено сравнительно низким значением характерного напряжения у них (Fc*20 мкВ,/с ~ Vq/Фо ~ Ю ГГц). Это обстоятельство не позволяет рассматривать их как многообещающих конкурентов современной полупроводниковой микротехнологии. СИС переходы со сверхвысокими значениями плотностей критических токов, обладая высокими значениями характерного напряжения (Рс«1мВ) предъявляют экстремально высокие требования как к субмикронному технологическому процессу изготовления джозефсоновских переходов, так и к используемому технологическому оборудованию. Кроме того, существующий разброс параметров СИС переходов со сверхвысокой плотностью тока существенно ограничивает их применение в цифровых БОК схемах высокой степени интеграции.

Наиболее многообещающими кандидатами для применения в цифровых сверхпроводниковых БОК схемах высокой степени интеграции являются двухбарьерные джозефсоновские СИНИС контакты, обладающие одновременно и механизмом внутреннего шунтирования, - и высоким значением характерного напряжения. Эти качества СИНИС переходов делают их потенциально привлекательными для применения в цифровых БОК схемах высокой степени интеграции.

Другая сфера активного применения двухбарьерных СИНИС контактов лежит в области метрологии, а именно в реализации стандартов напряжения. Стандарты напряжения на основе СИНИС переходов обладают значительно более высокой стабильностью ступеней Шапиро к хаотическому поведению по сравнению со схемами на основе туннельных СИС контактов [Kautz 1995], а также позволяют осуществлять однозначный выбор ступени напряжения (другими словами ступени Шапиро) в широком диапазоне токов питания микросхемы. Эти качества, демонстрируемые двухбарьерными СИНИС переходами, позволяют разрабатывать и реализовывать на их основе не только концепции стандартов напряжения, но также и полностью программируемых стандартов напряжения [Hamilton 1995], [Benz 1995, 1997], [Niemeyer 2001], [Kohlmann 2001].

Анализируя вышесказанное, мы можем заключить, что исследование электрофизических параметров двухбарьерных джозефсоновских СИНИС структур и разработка технологического процесса для их применения в цифровых БОК схемах является одной из актуальных задач современной сверхпроводниковой электроники. Основной целью представленной работы являлось проведение комплексного исследования двухбарьерных джозефсоновских СИНИС контактов и возможности их применения в цифровой криоэлектронике на основе БОК логики. В соответствии с поставленной целью задачами работы являлись:

1. Исследование электрофизических и технологических параметров двухбарьерных джозефсоновских СИНИС контактов с целью определения возможности их применения в качестве активных элементов криоэлектронной цифровой схемотехники.

2. Разработка технологического процесса воспроизводимого изготовления двухбарьерных джозефсоновских переходов с параметрами, приемлемыми для проектирования и изготовления сверхпроводниковых цифровых БОК схем.

3. Изготовление основных типов цифровых БОК схем на основе разработанного СИНИС технологического процесса. Определение основных параметров, характеризующих работоспособность изготовленных БОК схем.

Представленная работа была выполнена в рамках тесного сотрудничества между Институтом радиотехники и электроники Российской Академии Наук (ИРЭ РАН, Москва), Научно-исследовательским институтом Ядерной Физики Московского Государственного университета (НИИЯФ МГУ, Москва) и Департаментом квантовой электроники Федерального Физико-Технического центра (РТВ, Брауншвейг, Германия).

1. Основные соотношения в сверхпроводниковой электронике

Заключение

Представленная диссертационная работа посвящена разработке технологического процесса изготовления нового типа двухбарьерных джозефсоновских туннельных переходов (СИНИС), обладающих механизмом внутреннего шунтирования. Исследование электрофизических параметров таких переходов и их применение в сверхпроводниковых цифровых БОК схемах было выполнено в представленной работе. В процессе выполнения работы были получены следующие основные результаты:

1. Разработана технология изготовления дбухбарьерных джозефсоновских туннельных контактов, обладающих механизмом внутреннего шунтирования и, как следствие, практически безгистерезисной вольт-амперной характеристикой, что делает привлекательным их применение в сверхпроводниковых цифровых устройствах на основе БОК логики. В результате оптимизации технологического процесса были достигнуты следующие параметры СИНИС контактов:у'с « 2,2 кА/см2, Ус ~ 250 мкВ.

2. Проведено комплексное исследование электрофизических параметров двухбарьерных СИНИС переходов. На основе модуляционных зависимостей ступеней Шапиро от амплитуды внешнего микроволнового излучения подтверждена правомерность рассмотрения СИНИС контактов в приближении ЯС81 модели. Было показано, что распределение сверхтока по площади СИНИС контактов достаточно однородно в широком диапазоне значений плотностей критических токов, вплоть до Ус ~ 2,2 кА/см2. Это обстоятельство свидетельствует о хорошем качестве и однородности туннельных барьеров в СИНИС контактах.

3. Продемонстрировано хорошее совпадение температурных зависимостей характерного напряжения Ус (Г, /ея) двухбарьерных контактов с предсказаниями микроскопической теории СИНИС переходов, что дало возможность определения ключевого параметра Область экспериментально полученных значений параметра уея лежит в диапазоне 250-ь80 (/с ~ 70-н400 А/см2 соответственно).

4. На базе разработанной многослойной СИНИС технологии изготовления цифровых БОК схем, экспериментально определены значения индуктивностей сверхпроводниковых микрополосковых линий различной ширины, а также определена глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводящие пленки. Проведено сравнение экспериментальных и расчетных (на основе Ь-ше1ег и IX программ) значений индуктивностей. Получено хорошее совпадение с расчетом экспериментальных результатов для №> микрополосковых линий, имеющих ширину большую чем 2,5 мкм.

5. Впервые, на основе СИНИС технологического процесса, реализован ряд цифровых БОК схем: преобразователи сигнала из потенциальной формы в одноквантовую (ОС/БРС?) и обратного преобразования (БРС^/ОС); Т-триггер „со счетным входом; 8-разрядный сдвиговый регистр; схемы кольцевого тестирования для определения количества ошибочных переключений (ВЕК). Изготовленные схемы продемонстрировали правильное функционирование с допусками на области работоспособности до ±25%. Величина ВЕЯ не превышала 10"15 при температуре 4,2 К.

В заключение хотелось бы отметить, что применение двухбарьерных джозефсоновских СИНИС контактов в различных задачах сверхпроводниковой электроники позволяет рассчитывать на решение многих актуальных задач современной криоэлектроники. Разработка и реализация цифровых БОК схем и микросхем стандартов напряжений на основе двухбарьерных СИНИС переходов позволит создать новый тип полностью программируемых стандартов напряжений на основе интегрированного технологического процесса изготовления, что является одной из актуальных задач современной квантовой метрологии. Применение двухбарьерных СИНИС переходов в сверхпроводниковых цифровых БОК схемах позволяет не только повысить существующий уровень интеграции схем, но также значительно упростить разработку топологий цифровых схем из-за отсутствия внешнего шунтирующего резистора.

Микроскопическая теория двухбарьерных переходов, описанная и использованная в представленной работе, хорошо согласуется с полученными экспериментальными результатами. В случае дальнейшей оптимизации технологического процесса, с целью достижения предельных значений параметров (/с« 10*20 кА/см2, Ус ~ 1 мВ) СИНИС контактов, необходимо учитывать возрастающее влияние андреевских каналов переноса сверхтока на параметры двухбарьерных переходов из-за увеличения прозрачностей туннельных барьеров. Включение этого эффекта в микроскопическую теорию двухбарьерных структур позволит расширить область применимости данной теории. На сегодняшний момент времени, изготовление СИНИС переходов с диапазоном значений плотностей критических токов ]с> 10 кА/см2 лежит вне возможностей существующего технологического процесса.

1. A.F. Andreev, „Electron spectrum of the intermediate state of superconductors," Zh. Eksp. Teor. Fiz. 49, pp. 655-660,1965; Sov. Phys. JETP19, pp. 1128-1133,1964.

2. G.E. Babayan, L.V. Filippenko, G.A. Ovsyannikov, O.B. Uvarov, and V.P. Koshelets, „Fabrication and properties of superconducting double-barrier structure," Supercond. Sci. Technol. 4, pp. 476-478,1991.

3. A. Barone, G. Paterno, „Physics and Applications of the Josephson Effect," John Wiley & Sons, ISBN 0-471-01469-9,1982.

4. S.P. Benz, „Superconductor-normal-superconductor junctions for programmable voltage standards," Appl. Phys. Lett. 67 (18), pp. 2714-2716, 1995.

5. S.P. Benz, C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, and T.E. Harvey, „Stable 1 volt programmable voltage standard, " Appl. Phys. Lett. 71, pp. 1866-1868, 1997.

6. A. Brinkman, A.A. Golubov, H. Rogalla, and M.Yu. Kupriyanov, „Microscopic model for double-barrier SISTS Josephson junctions," Supercond. Sci. Technol. 12, pp. 893-896, 1995.

7. A. Brinkman and A.A. Golubov, „Coherence effects in double-barrier Josephson junction," Phys. Rev. B 61 (17), pp. 11297-11300,2000.

8. A. Brinkman, D. Cassel, A.A. Golubov, M.Yu. Kupriyanov, M.Siegel, and H. Rogalla, „Double-Barrier Josephson Junctions: Theory and Experiments," IEEE Trans. Appl. Supercond. 11 (1), pp. 1146-1149,2001.

9. A. Brinkman, A.A. Golubov, H. Rogalla, F.K. Wilhelm and M.Yu. Kupriyanov, „Nonequilibrium charge transport phenomena in double-barrier Josephson junctions," cond-mat/0310420,2003.

10. P. Bunyk, A. Oliva, V.K. Semenov, M. Bhushan, K.K. Likharev, J.E. Lukens, M. Ketchen, and W.H. Mallison, „High-speed single-flu-quantum circuit using planarized niobium-trilayer Josephson junction technology", Appl. Phys. Lett. 66, pp. 646,1995.

11. P. Bunyk: L-Meter: hhttp://pavel.physics.sunysb.edu/~paul/lmeter/lmeter.html

12. F.-Im. Buchholz, D. Balashov, M.I. Khabipov, D. Hagedorn, R. Dolata, R. Pôpel, and J. Niemeyer, „Development of highly integrated RSFQ circuits on the basis of intrinsically shunted Josephson junctions," Physica C350, pp. 291-301, 2001.

13. C.J. Burroughs, S P. Benz, C.A. Hamilton, T.E. Harvey, J.R. Kinard, T.E. Lipe, and H. Sasaki, „Thermoelectric transfer difference of thermal converters measured with a Josephson source," IEEE Trans. Instrum. Meas. 48 (2), pp. 279-281, 1999.

14. Capogna and M.G. Blamire, „Superconducting proximity effect through high-quality high-conductance tunnel barriers," Phys. Rev. B 53, pp. 5683-5687, 1996.

15. W. Chen, A.V. Rylyakov, Vijay Patel, J.E. Lukens, and K.K. Likharev, „Superconductor digital frequency divider operating up to 750 GHz," Appl. Phys. Lett. 13 (19), pp.2817-2919, 1998.

16. W. Chen, A.V. Rylyakov, Vijay Patel, J.E. Lukens, and K.K. Likharev, „Rapid Single Flux Quantum T-Flip Flop Operating up to 770 GHz," IEEE Trans. Appl Supercond. 9 (2), pp. 3212-3215,1999.

17. K. A. Delin and A.W. Kleinsasser, „Stationary properties of high-critical-temperature proximity effect Josephson junctions," Supercond. Sci. Technol. 9, pp. 227-269, 1996.

18. G. Deutscher and P.G. De Gennes, „Proximity Effect," Superconductivity, R.D. Parks, Ed: Dekker, pp. 1005-1034, 1969.

19. P.N. Dmitriev, A.B. Ermakov, A.G. Kovalenko, V.P. Koshelets, N.N. Iosad, A.A. Golubov, and M.Yu. Kupriyanov, „Niobium Tunnel Junctions with Multi-Layered Electrodes," IEEE Trans, on Appl. Supercond. 9,3970-3973, 1999.

20. R. Dolata and D. Balashov, „Platinum thin film resistors with Cr under- and overlayers for Nb/Al203/Nb technology," Physica C 295, pp. 247-250, 1998.

21. Fritzsch, M. Schubert, G. Wende, and H.-G. Meyer, „Superconductor-normal metal-superconductor Josephson junctions with Ti interlayer,", Appl. Phys. Lett., 73, pp. 1583-1585, September 1998.

22. Fritzsch, H. Eisner, M. Schubert, and H.-G. Meyer, „SNS and SIS Josephson junctions with dimensions down to the sub-micron region prepared by an unified technology," Ext. Abstr. ISEC'99, PI5.10, pp. 256-258, 1999.

23. E.V. Goldobin 1997, the measuring system bases on EXI program originated in 1990 at IREE -by V. Koplunenko and was modified in 1997 by E. Goldobin (named GoldEXI, v. 2.77) to meet the special requirements of the existing measurement set-up at PTB.

24. M. Gurvitch, M.A. Washington, and H.A. Huggins, "High quality refractory Josephson tunnel junctions utilizing thin aluminium junctions,"^/?/?/. Phys. Lett. 42, p. 472, 1983.

25. D. Hagedorn, R. Dolata, R. Popel, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer, „Development of Submicron SNS Ramp-type Josephson Junctions," IEEE Trans. Appl. Supercond. 11 (1), pp. 1134-1137,2001.

26. D. Hagedorn, R. Dolata, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer, „Properties of SNS Josephson junctions with HfTi interlayers," Physica C 372-376, pp. 7-10, 2002.

27. C.A. Hamilton, C.J. Burroughs, and R.L. Kautz, ,Josephson D/A Converter with Fundamental Accuracy," IEEE Trans. Instrum. Meas. 44, pp. 223-225, 1995.

28. W. H. Henkels, „Accurate measurement of small inductances or penetration depths in superconductors," Appl. Phys. Lett. 32 (12), pp. 829-831, 1978.

29. A.T. Johnson, C.J. Lobb, and M. Tinkham, „Effect of leads and energy gap upon the retrapping current of Josephson junctions," Phys. Rev. Lett. 65, pp. 1263-1267, (1990).

30. B.D. Josephson, „Possible new effects in superconductive tunnelling," Phys. Lett. 1, pp. 251253,1962.

31. J. Kang, A. H. Worsham, and J. X. Przybysz, „4.6 GHz SFQ shift register and pseudorandom dit sequence generator," IEEE Trans. Appl. Supercond. 5, pp. 2827-2830, 1995.

32. V.K. Kaplunenko, M.I. Khabipov, V.P. Koshelets, I.L. Serpuchenko, and A.N. Vystavkin, „Experimental Study of the SFQ Devices, " Extended Abstracts of ISEC-89, Tokyo, Japan, 1989, pp. 411-414, 1989.

33. V.K. Kaplunenko, „Fluxon interaction in an overdamped Josephson transmission line," Appl. Phys. Lett. 66, pp. 3365-3367,1995.

34. R.L. Kautz, „The AC Josephson effect in hysteretic junctions: range and stability of phase lock," J. Appl. Phys. 52, pp. 3528-3541,1981.

35. R.L. Kautz, „Global stability of phase lock near a chaotic crisis in the rf-biased Josephson junction," J. Appl. Phys., 62, pp. 198-211, 1987.

36. R.L. Kautz, „Shapiro steps in large area metallic-barrier Josephson junctions," J. Appl. Phys. 78 (9), pp. 5811-5819, 1995.

37. W. Kessel, F.-Im. Buchholz, M. I. Khabipov, and J. Niemeyer „Development of an RapidSingle Flux Quantum shift register for applications in RF noise power metrology," IEEE Trans. Inst, andMeasur. 46 (2), pp. 477-481, 1997.

38. M.I Khabipov, R. Dolata, F.-Im. Buchholz, W. Kessel, and J. Niemeyer, „Direct current to 350 GHz operation of rapid-single-flux-quantum T-flipflop circuits in niobium technology," Supercond. Sei. Technol. 9, pp. 822-825, 1996.

39. M. Khabipov, W. Kessel, F.-Im. Buchholz, R. Dolata, and J. Niemeyer, „Bit error rate experiment in ring-shaped RSFQ circuits," Appl Superconduct. 6 Nos 10-12, pp. 719-725, 1998.

40. M.I. Khabipov, B.V. Balashov, F.-Im. Buchholz, W. Kessel, and J. Niemeyer „RSFQ circuitry realized in a SINIS technology process," IEEE Trans. Appl. Supercond. 9, pp. 46824687, 1999.

41. M. Khapaev:LL: http://cmc.cs.msu.su/dep/vm/sort/vmhap

42. A.W. Kleinsasser, W.H. Mallison, and R.E. Miller, „Effect of growth conditions on the electrical properties of Nb/AL-Oxide/Nb tunnel junctions," IEEE Trans. Appl. Supercond. 5 (2), pp. 2330-2333, 1995.

43. J. Kohlmann, H. Schulze, R. Behr, F. Müller, and J. Niemeyer, „10 V SINIS Josephson Junction Series Arrays for Programmable Voltage Standards," IEEE Trans. Inst. Meas. 30 (2), pp. 192-194,2001.

44. V.P. Koshelets and S.V. Shitov, „Integrated superconducting receivers, " Topical Review, Supercond. Sei. Technol. 13, pp. R53-R69,2000.

45. M.Y. Kupriyanov and V.F. Lukichev, „Influence of boundary transparency on the critical current of „dirty" SS'S structures," Sov. Phys. JETP 61 (6), pp. 1163-1168, 1988.

46. M. Yu. Kupriyanov, A. Brinkman, A.A. Golubov, M. Siegel, and H. Rogalla, „Double-barrier Josephson structures as the novel elements for superconducting large-scale integrated circuits," Physica C 326-327, pp. 16-45,1999.

47. K.K. Likharev, „Superconducting weak links," Rev. Mod. Phys. 51, pp. 101-159, 1979.

48. K.K. Likharev and B.T. Ulrich, „Systems with Josephson contacts," Published by Moscow State university, 1978.

49. K.K. Likharev, „Dynamics of Josephson Junctions and Circuits," Gordon and Breach Science Publishers, 1986.

50. K.K. Likharev and V. Semenov, „RSFQ logic/memory family: a new Josephson junction technology for sub-terahertz clock frequency digital systems," IEEE Trans. Appl. Supercond. 1, pp. 3-28, 1991.

51. K.K. Likharev, „Ultrafast superconductor Digital Electronics: RSFQ Technology Roadmap," Intl. Conf. on Low Temp. Phys. LT21, Prag, 1996; and: K.K. Likharev, „Recent Progrès and Prospects of Superconductor Digital Technology", FED Report, 1997.

52. V. Lacquaniti, S. Gonzini, S. Maggi, E. Monticone, R. Steni, and D. Andreone ,,Nb-based SNS junctions with Al and TaOx barriers for a programmable Josephson voltage standard," IEEE Trans. Appl. Supercond. 9 (2), pp. 4245-4558,1999.

53. R. Lochschmied and W. Jutz, „A low power shift register," in EXT. Abst. 1993 Int. Supercond. Conf. ISEC'93, Boulder, CO, 1993.

54. M. Maezawa and A. Shoji, „Overdamped Josephson junctions with Nb/AlOx/Al/AlOx/Nb structure for integrated circuit application," zip;?/. Phys. Lett. 70 (26), pp. 3603-3605, 1997.

55. M.A. McCord and M.J.Rooks, in „Handbook of Microlithography, Micromachining and Microfabrication, " Vol. I, Ed. P.Rai-Choudhury (SPIE Press, Bellingham, U.S.A.)

56. D.E. McCumber, „Effect of AC impedance on DC voltage current characteristics of superconductor weak link junctions," J. Appl. Phys. 39, pp. 3113-3118, 1968.

57. R.W. Moseley, A.J. Bennett, W.E. Booij, E.J. Tarte, and M.G. Blamire, „Fabrication of Josephson superconductor-normal metal-superconductor series arrays using a focused ion beam," Supercond. Sei. Tech., 12 (11), pp. 871-873, 1999.

58. F. Müller, R. Behr, J. Kohlmann, R. Pöpel, J. Niemeyer, G. Wende, L. Fritzsch, F. Thrum, H.-G. Meyer, and I.Y. Krasnopolin, „Optimized 10-V Josephson Series Arrays: Fabrication and Properties," Proc. ISEC'97, Extended Abstracts 1, pp. 95-97,1997a.

59. F. Müller, R. Pöpel, J Kohlmann, J. Niemeyer, W. Meier, T. Weimann, L. Grimm, F.-W. Dünschede, and P. Gutmann, „Optimized IV and 10 V Josephson Series Arrays," IEEE Trans. Instr. Meas. 46 (2), pp. 229-232, 1997b.

60. F. Müller, H. Schulze, R. Behr, J. Kohlmann, and J. Niemeyer, „The Nb-Al technology at PTB a common base for different types of Josephson voltage standards," Physica C 354, pp. 66-70, 2001.

61. O.A. Mukanov and V.K. Semenov, „A Novel Way of Digital Information Processing in the Josephson Circuit, "preprint, Dept. Phys., Moscow State University, 9, 1985.

62. O A. Mukhanov, „Rapid single flux quantum (RSFQ) shift register family," IEEE Trans. Appl. Superconduct. 3 (1), 2578-2581, 1993.

63. Neil H.E. Weste and Kamran Eshragian, „Priciples of CMOS VLSI Design/Addison," Wesley Publishing company, 1985.

64. P. Nevirkovets, J.B. Ketterson, and S. Lomatch, „Anomalous critical current in double-barrier Nb/Al-AlOx-Al-AlOx-Nb devices," Appl. Phys. Lett. 74, pp. 1624-1626,1999.

65. P. Nevirkovets, J.B. Ketterson, and J.M. Rowell, „Modified superconductor-insulator-normal metal-insulator-superconductor Josephson junctions with high critical parameters," J. Appl. Phys. 89 (7), pp.3980-3985,2001.

66. J. Niemeyer, „Josephson Voltage Standard," Encyclopedia of Materials: Science and Technology, ISBN 0-08-043152-6, pp. 4351-4356,2001.

67. J. Niemeyer, „SINIS junction technology for complex superconducting circuits," Physica C 372-376, pp. 291 -296, 2002.

68. V. Patel and J.E. Lukens, „Self-shunted Nb/AlOx/Nb Josephson junctions," IEEE Trans. Appl. Supercond. 9 (2), pp. 3247-3250,1999.

69. R. Pöpel, D. Hagedorn, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer, „SNS ramp-type Josephson junctions for highly integrated superconducting circuit applications," Inst. Phys. Conf. Ser. No. 167, pp. 277-280,2000a.

70. S.V. Polonsky V. K. Semenov, P.I. Bunyk, A.F. Kirichenko, A.Yu. Kidiyarova-Shevchenko, O.A. Mukhanov, P.N. Shevchenko, D.F. Schneider, D.Yu. Zinoviev, and K.K. Likharev, „New RSFQ circuits, " IEEE Trans. Appl. Superconduct. 3 pp. 2566-2577, 1993.

71. H. Sachse, R. Pöpel, T. Weimann, F. Müller, G. Hein, and J. Niemeyer, „Properties of PdAu Barriers of SNS Junctions for Programmable Voltage Standards," J IOP Publ. Ltd: Bristol Inst. Phys. Conf. Ser. 158, pp. 555-558,1997

72. SCENET Roadmap for Superconductor Digital Electronics," Version 2.2, 2001, http://orchidea.maspec.bo.cnr.it/workinggroups/RSFQroadmapfinal.pdf (will be published on Physica C)

73. H. Schulze, F. Müller, R. Behr, J. Kohlmann, J. Niemeyer, and D. Balashov, „SINIS Josephson Junctions for Programmable Josephson Standard Circuits, " IEEE Trans. Appl Supercond. 9, pp. 9241-9243,1998a.

74. H. Schulze, R. Behr, F. Müller, and J. Niemeyer, „Nb/Al/AlOx/Al/AlOx/Al/Nb Josephson junctions for programmable voltage standards," .kp/?/. Phys. Lett. 73, pp. 996-998, 1998b.

75. SEMATECH, „International Technology Roadmap for Semiconductors," http://www.sematech.org/public/index.htm, 2001

76. V.Shatemik, M. Belogolovskii, A. Plecenik, S. Benacka, M. Grajcar, and E. Rudenko, .Asymmetric double-barrier S-I1-N-I2-S Josephson heterojunctions: experiment and theory," Physica C 350, pp. 187-1902,2001.

77. W.C. Stewart, „Current-voltage characteristixs of Josephson junctions," Appl. Phys. Lett. 12, pp. 277-280, 1968.

78. H. Sugiyama, A. Yanada, M. Ota, A. Fujimaki, and H. Hayakawa, „Characteristics of Nb/Al/AlO^/Al/AlO^/Nb junctions based on the proximity effect," Jpn. J. Appl. Phys. 36, pp. L1157-L1160,1997.

79. M. Tinkham, „Introduction to Superconductivity," McGraw-Hill, Inc. ISBN 0-07-064878-6, 1996.

80. K.D. Usadel, „Generalized diffusion equation for superconducting alloys," Phys. Rev. Lett. 25 (8), pp. 507-509, 1970.

81. T. Van Duzer and C. Turner, „Principles of Superconductive Devices and Circuits," Second Edition, Prentice Hall PTR, ISBN 0-13-262742-6, 1998.

82. A.F. Volkov, A.V. Zaitsev, and T.M. Klapwijk, „Proximity effect under nonequilibriun conditions in double-barrier superconducting junctions," Physica C 210, pp. 21-34, 1993.

83. A.V. Zaitsev and G.A. Ovsyannikov, Proc. ISEC Conf., Japan, 150,1989.

84. A.V. Zaitsev, „Properties of "dirty" S-S*-N and S-S*-S structures with potential barriers at the metal boundaries," JETP Lett. 51 (1), pp. 41-46, 1990.

85. A.V. Zaitsev, Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 51, p.35, 1990.

86. A.V. Zaitsev, „On the theory of superconducting structures S-S'-S and S-S'-N with potential barriers at the metal interfaces," Physica C185-189, pp. 2539-2540, 1991.

87. H.H. Zappe, „Minimum current and related topics in Josephson tunnel junction devices," J. Appl. Phys., 44, p. 1371, 1973.

88. A. Zehnder, Ph. Lerch, S.P. Zhao, Th. Nussbaumer, and E.C. Kirk, „Proximity effects in Nb/Al-AlOj-Al/Nb superconducting tunneling junctions," Phys. Rev. B 59 (13), pp. 88758886, 1999.

89. H.J. van der Zant, R.A.M. Receveur, T.P. Orlando, and A.W. Kleinsasser, „One-dimentional parallel Josephson-junction arrays as a tool for diagnostic," Appl. Phys. Lett. 65, pp. 21022104, 1994.

90. Публикации в международных журналах

91. R. Dolata and D. Balashov,

92. Platinum thin film resistors with Cr under- and overlayers for Nb/A1203/Nb technology, PhysicaC 295, pp. 247-250, 1998.

93. D. Balashov, M.I. Khabipov, F.-Im. Buchholz, W. Kessel, and J. Niemeyer, SINIS fabrication process for realizing integrated circuits in RSFQ impulse logic, Supercond. Sei. Technol 12, pp. 864-867, 1999.

94. H. Schulze, F. Müller, R. Behr, J. Kohlmann, J. Niemeyer, and D. Balashov, SINIS Josephson junctions for programmable Josephson voltage standard circuits, IEEE Trans. Appl. Supercond. 9, pp. 4241-4244,1999.

95. M.I. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, W. Kessel, and J. Niemeyer,

96. RSFQ Circuitry Realized in a SINIS Technology Process,

97. EE Appl Supercond. 9, No. 4, pp. 4682-4687, December, 1999.

98. D. Balashov, F.-Im. Buchholz, H. Schulze, M.I. Khabipov, R. Dolata, M.Yu. Kupriyanov, and J. Niemeyer,

99. Stationary properties of SINIS double-barrier Josephson junctions, Supercond. Sei. Technol 13, pp. 244-250,2000.

100. F.-Im. Buchholz, D. Balashov, M.I. Khabipov, D. Hagedorn, R. Dolata, R. Pöpel, J. Niemeyer,

101. Development of highly integrated SDE circuit applications,

102. Progress Report on Electrical Metrology at the PTB between 1997 and 2000 on the Occasion of the 22nd Meeting of the CCEM, CCEM/00-8, Sect. 1. "Electrical Quantum Standards", part 1.2., pp. 5-7,2000.

103. F.-Im. Buchholz, D. Balashov, M.I. Khabipov, D. Hagedorn, R. Dolata, R. Pöpel, and J. Niemeyer,

104. Development of Highly Integrated RSFQ Circuits on the Basis of Intrinsically Shunted1. Josephson Junctions,

105. Physica C 350, p. 291-301,2001.

106. D. Balashov, M. Khabipov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer,

107. SINIS process development for integrated circuits with characteristic voltages exceeding 250 nV,

108. EE Trans. Appl Supercond, 11, No. 1, pp. 1070-1073, 2001.

109. M. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer, High-frequency performance of RSFQ circuits realized in SINIS technology, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, No. 1, pp. 1074-1077, 2001.

110. F.-Im. Buchholz, D. Balashov, M.I. Khabipov, D. Hagedorn, R. Dolata, R. Pöpel, and J. Niemeyer

111. Development of Highly Integrated RSFQ Circuits on the Basis of Intrinsically Shunted1. Josephson Junctions,

112. Physica C350, pp. 291-301,2001.

113. M. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer, High-frequency performance of RSFQ circuits realized in SINIS technology, IEEE Trans. Appl. Supercond. 11, No. 1, pp. 1074-1077,2001.

114. J. Kohlmann, R. Behr, M. Khabipov, H. Schulze, D. Balashov, F. Müller, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer,

115. Entwicklung von integrierten Schaltungen und Messsystemen fur das Quantenvoltmeter, Supraleitung und Tieftemperaturtechnik 2000, VDI-Verlag, Düsseldorf, pp. 223-226, 2001.

116. M.I. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer.

117. Bit error rate experiments with RSFQ circuits realised in SINIS technology

118. Physica C 372-376, pp. 136-138,2002.

119. Доклады на международных конференциях

120. H. Schulze, F. Miiller, D. Balashov, R. Behr, J. Kohlmann, and J.Niemeyer, M.Y. Kupriyanov,

121. SINIS Josephson junctions as a base element for programmable Josephson voltage standards and other application,

122. XI Trilateral German/Russian/Ukraine Seminar on High-Temperature-Superconductivity, PB5, p. 77,27 September- 1 October, 1998.

123. D. Balashov, M.I. Khabipov, F.-Im. Buchholz, R. Dolata, and J. Niemeyer

124. SINIS Process Development for Realizing Integrated Circuitry in RSFQ Impulse Logic

125. Kryoelektronische Bauelemente 1999, Koln, 03.-05.10.1999.

126. F.-Im. Buchholz, D. Balashov, M.I. Khabipov, D. Hagedorn, R. Dolata, R. Popel, and J. Niemeyer

127. Development of highly integrated RSFQ circuits on the basis of intrinsically shunted Josephson junctions6th Twente Workshop on Superconducting Electronics, University of Twente, NL, 16.-19. 04. 2000

128. D. Balashov, M. Khabipov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer

129. SINIS process development for integrated circuits with characteristic voltages exceeding 250 }iV

130. Applied Superconductivity Conference 2000, Virginia Beach (USA), 17. 22.09.2000

131. M.I. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer High-frequency performance of RSFQ circuits realized in SINIS technology Applied Superconductivity Conference 2000, Virginia Beach (USA), 17. 22.09.2000

132. D. Balashov, M. Khabipov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer

133. Realization of RSFQ circuits in SINIS technology at critical current densities of 800 A/cm2 Kryoelektronische Bauelemente 2000, Pommersfelden, 08. 10.10.2000

134. M. Khabipov, D. Balashov, D. Hagedorn, R. Dolata, F.-Im. Buchholz, J. Niemeyer, and M. Khapaev

135. Experimental determination of inductances of narrow superconducting striplines Kryoelektronische Bauelemente 2000, Pommersfelden, 08. 10.10.2000

136. J. Kohlmann, R. Behr, M. Khabipov, H. Schulze, D. Balachov, F. Müller, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer

137. Entwicklung von integrierten Schaltungen und Messsystemen für das Quantenvöltmeter 7 Statusseminar Supraleitung und Tieftemperaturtechnik, Garmisch-Partenkirchen, 14. -15.12.2000

138. M. Khabipov, D. Balashov, R. Behr, F. Müller, J. Kohlmann, H. Schulze, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer SINIS Circuits Results

139. ONR Superconductor Electronics Program Meeting (SEPM Meeting), Sedona, AR, USA, 04. 07.02.2001

140. M.I. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer

141. Bit error rate experiments with RSFQ circuits realized in SINIS technology5th European Conf. on Applied Superconductivity, Kopenhagen (Dänemark), 26. 30.08.2001

142. M. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer Operating range of basic RSFQ circuits with low power consumption Kryoelektronische Bauelemente 2001, Rolduc (Niederlande), 30.09-02.10.2001

143. M. Khabipov, D. Balashov, F.-Im. Buchholz, and J. Niemeyer

144. Development of RSFQ frequency counter modules for programmable Josephson voltage standards

145. Kryoelektronische Bauelemente 2002, Wandlitz, 06.-08.10.2002

146. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю профессору д.ф.-м.н. М.Ю. Куприянову (НИИЯФ МГУ) за. постановку задачи исследования, руководство работой и всестороннюю поддержку при анализе полученных результатов.

147. Автор благодарит Robert Havemann Foundation за частичную поддержку выполненной работы.