Сверхпроводниковые одноквантовые структуры для обработки информации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

РГ6 00

2 2 199?оссийскля АКАДЕМИЯ НАУК

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

ХАБИПОВ Марат Ирекович

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ОДНОКВАНТОВЫЕ СТРУКТУРЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

01.04.01. Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исседований.

На правах рукописи

УДК 621.382; 537.312

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1993 г.

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН, г. Москва.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Кошелец В.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Губанков В.Н. (ИРЭ РАН) доктор технических наук, профессор Махов В.И. (НИИФП, г.Зеленоград)

Ведущая организация - Институт кибернетики АН Украины, г. Киев,

Защита состоится 9 апреля 1993 г. в 12 час. 00 мин. на заседании специализированного совета Д.002.74.03 в ИРЭ РАН по адресу: г. Москва, 103907, Моховая ул., д. И.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института радиотехники и электроники РАН.

Автореферат разослан " < " марта 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Д.002.74.03.

к.ф.м..н.

Журавлев В.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Интерес к практическому применению квантовых макроскопических эффектов, проявляемых в структурах с джозефсоновскими переходами (ДП), во многом обусловлен возможностью создания аналоговых и цифровых систем сверхбыстрой обработки информации, обладающих исключительно низким энергопотреблением. Сочетание специфических нелинейных свойств ДП: короткое время переключения, малый уровень шумов, обусловленный низкими рабочими температурами (единицы К), возможность их изготовления методами стандартной тонкопленочной технологии -позволяют реализовать рекордные рабочие характеристики указанных устройств.

До настоящего времени основные усилия концентрировались на исследовании систем, построенных с использованием туннельных ДП с гистерезисной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), в которых естественным образом реализуется потенциальный принцип представления цифровой информации. Однако, элементам и устройствам, разработанным на основе данного функционального семейства ДП, присущи целый ряд недостатков, ограничивающих их быстродействие. Недавно была предложена принципиально новая концепция построения цифровых устройств, позволяющая реализовать предельные параметры джозефсоновских элементов. В таких структурах цифровая информация кодируется одиночными квантами магнитного потока и обрабатывается в виде коротких импульсов напряжения площадью

i V(t) dt = Ф0 = 2.1 псхмВ. (1)

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - экспериментальное исследование сверхпроводниковых цифровых элементов и устройств с обработкой и хранением информации в форме одиночных квантов магнитного потока на структурах с ДП; экспериментальное изучение их быстродействия и областей работоспособности; реализация и экспериментальное исследование элементов преобразования

информации из потенциальной формы в одноквантовую и обратно, обеспечивающих связь сверхпроводниковых схем с элементами традиционной электроники; изучение устойчивости работы элементов быстрой одноквантоъой (БОК) логики, определение числа их безошибочных переключений; реализация двоичных счетчиков одноквантовых импульсов, строб и аналого-цифрового преобразователей (АЦП) на одноквантовых элементах и экспериментальное исследование их параметров и характеристик.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе впервые получены следующие результаты:

1. Экспериментально исследованы и оптимизированы способы шунтирования туннельных ДП - основных элементов одноквантовых структур.

2. Экспериментально исследованы сверхпроводниковые цифровые элементы и устройства с обработкой информации в виде коротких импульсов напряжения и ее хранением в форме одиночных квантов магнитного потока. Продемонстрирована правильная работа отдельных элементов до частот порядка 100 ГГц.

3. Экспериментально реализованы и исследованы элементы преобразования информации из потенциальной формы в одноквантовую и обратно с широкими областями работоспособности. Экспериментально получено правильное функционирование квазицифрового одноквантового умножителя напряжения на два, основанного на удвоении входной частоты многоэлементной системой ДП.

4. Проведено экспериментальное исследование устойчивости элементов быстрой одноквантовой логики с применением методики кольцевого тестирования. Продемонстрировано, что буферный каскад может выполнять не менее 10+15 безошибочных переключений.

5. Экспериментально реализован и исследован стробпреобразователь на шунтированных ДП, пригодный для исследования элементов БОК логики с частотой следования повторяющихся сигналов до 7 ГГц.

6. Экспериментально продемонстрирована правильная работа АЦП, основанного на быстрых одноквантовых элементах с корректно функционирующим до частоты 20 ГГц реверсивным счетчиком.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Основным итогом диссертационной работы является получение экспериментальных результатов, подверждающих возможность создания нового семейства сверхпроводниковых цифровых элементов и устройств. На основе указанных элементов возможна реализация устройств с рекордными для цифровой электроники быстродействием и низким энергопотреблением. Экспериментально апробированный в диссертации метод кольцевого тестирования устойчивости элементов быстрой одноквантовой логики и стробпреобразователь, позволяющий непосредственно измерять быстродействие элементов, могут быть использованы при исследовании надежности устройств средней степени интеграции. Полученные в диссертации экспериментальные результаты по исследованию двоичных счетчиков одноквантовых импульсов и аналого-цифрового преобразователя на одноквантовых элементах могут использоваться при создании широкополосных и точных АЦП.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах ИРЭ РАН, лаборатории криогенной электроники МГУ, в ИК им Глушкова АН Украины, НИИФП им. Ф.В.Лукина (г. Зеленоград), а также на научных конференциях:

-1 Всесоюзной школе молодых ученых по высокотемпературной сверхпроводимости и сверхпроводниковой электронике г. Черноголовка 1988 г.

-25 Всесоюзном совещании по физике низких температур, г.Ленинград,

1988.

-15 и 17 Советско-Японских симпозиумах по новым материалам для электронных приборов г. Москва 1988 г., 1990 г.

-13 и 14 семинарах по прикладной сверхпроводниковой электронике г. Киев 1988 г., 1989 г.

-Международной конференции по прикладной сверхпроводимости, США: Сан-Франциско, 1988 г.; Сноу-Масс, 1990 г.; Чикаго, 1992 г.

-Международной конференции по сверхпроводниковой электронике, Япония, Токио, 1989 г.; Шотландия, Глазго, 1991 г.

-14 Международной конференции ICEC/ICMC, Киев-92, 1992.

-22 Европейской микроволновой конференции, Финляндия, Хельсинки,

1992.

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты настоящего исследования опубликованы в 21 печатных работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из Предисловия, шести глав и Заключения. Объем работы составляет 127 страниц печатного текста, 44 рисунка и 4 таблицы. Библиография содержит 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В Предисловии обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели работы, приведены краткие данные о структуре работы и содержании отдельных глав.

В ПЕРВОЙ (ВВОДНОЙ) ГЛАВЕ в разделе 1.1 кратко описаны основные параметры, характеризующие различные ДП и сверхпроводниковые квантовые интерферометры (СКИ). Отмечается, что ДП и СКИ являются перспективными элементами при создания цифровых и аналоговых устройств для обработки информации.

В разделе 1.2 приведен краткий обзор аналоговых и цифровых устройств

на туннельных ДП с гистерезисной ВАХ [1] и потенциальным представлением

цифровой информации (наличие и отсутствие напряжения на переходе).

Указывается, что естественная периодичность пороговых характеристик (ПХ)

СКИ позволяет реализовать быстродействующие АЦП [2]. Отмечается, что

основными факторами, которые ограничивают быстродействие элементов и

4

устройств на данном семействе ДП тактовыми частотами порядка единиц гигагерц, являются эффект динамического пробоя [1] и необходимость питания переменным током.

В разделе 1.3 приведен краткий обзор аналоговых и цифровых устройств на внешне шунтированных ДП с безгестерезисной ВАХ, где цифровая информация кодируется одиночными квантами магнитного потока и обрабатывается в виде одиночных импульсов напряжения (1). Кратко описаны работа двоичных счетчиков одноквантовых импульсов и АЦП на основе шунтированных СКИ, которые позволяют реализовать чувствительные и точные аналого-цифровые преобразователи [2], Описывается предложенная в [3] полная система элементов одноквантовой логики. В данной системе элементов логическая единица (нуль) представляется наличим (отсутствием) информационного импульса напряжения (1) в промежутке времени между двумя тактовыми ипульсами напряжения, аналогичными по форме информационному. Отмечается, что основными недостатками одноквантовых устройств с резистивными связями между элементами являются узкие области работоспособности, которые не позволяют реализовать схемы большой степени интеграции.

В разделе 1.4 приведен краткий обзор структур на БОК [4,5] элементах, полученных оптимизацией полной системы одноквантовых элементов, результатом которой была замена всех резисторов в цепях передачи информации на ДП. Отмечается, что достоинствами БОК элементов является постоянный ток питания, наличие внутренней памяти у логических элементов, широкие области работоспособности элементов.

В разделе 1.5 сформулирован ряд конкретных задач, подлежащих решению в данной работе.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ кратко изложена технология изготовления используемых в работе структур, описаны автоматизированная и аналоговые экспериментальные установки, на которых проводились исследования;

представлены результаты экспериментальных измерений характеристик и параметров ДП и структур на их основе.

Экспериментально исследованные микросхемы изготавливались в технологической группе лаб. 1Ч0 235 ИРЭ РАН, содержали от Десяти до четырнадцати слоев, в том числе до четырех сверхпроводящих слоев; с минимальными размерами элементов 4 мкм. Туннельные ДП схем были выполнены целиком из тугоплавких материалов с прослойкой из окиси А1 (МЬ-А10х-ЫЬ), с плотностью критического тока _]'с « 500 1000 А/сш^, были шунтированы резисторами из И или Мо и имели безгестерезисную ВАХ (безразмерный параметр емкости - параметр Мак-Камбера - Стюарта рс<1). Изготовление исследуемых образцов проводилось методом SNEAP [61; данный процесс, использует как плазмо-химическое травление так и его

анодизацию.

Моделирование схем и оптимизация их параметров выполнялась с помощью программ КОМРАСС и РБСАК [7]. Программы позволяли одновременно наблюдать мгновенные напряжения и фазы и расчитывать ВАХ в нескольких точках схем, содержащих более 100 элементов.

В разделе 2.2 описана экспериментальная установка для исследования структур на основе ДП. Все эксперименты выполнялись в экранированной комнате. Подложка с размерами 9.6x9.6 мм^ помещалась в 36-контактную тестирующую головку, позволяющую производить измерения (используя 4-х зондовую схему) ВАХ и других характеристик схем в транспортном или заливном криостате с жидким гелием. Используемый в эксперименте РС располагался вне экранированной комнаты и позволял контролировать 8 токов и 3 различных напряжения, используя предусилители с различными коэффициентами усиления. Система позволяла измерять напряжения с точностью 1 мкВ, обеспечивала хранение и обработку результатов эксперимента. Уровень шумовых сигналов составлял менее 1 мкА.

б

В разделах 2.3-2.6 изложены результаты измерения электрофизических параметров структур и исследование их разброса, способов шунтирования ДП, элементов фильтрации наводок и подавления резонансов, возникающих в подводящих сверхпроводниковых микрополосках и взаимовлияния элементов БОК логики.

Для исследования разброса критических токов были реализованы цепочки из 100 последовательных нешунтированных ДП. Полученные результаты свидетельствуют о том, что величина разброса критических токов ДП не превышает +5%.

Значение удельной емкости ДП определялось из измерений ступеней нулевого поля (Zero Field Steps, ZFS), возникающих при движении одиночных квантов магнитного потока - "солитонов" на ВАХ распределенных ДП, когда один из размеров перехода 1 больше джозефооновской глубины проникновения Л j. Полученное значение удельной емкости Суд = 0.064 пФ/мкм^ при плотности критического тока 500 A/cm^ в пределах точности измерений совпадает со значениями удельной емкости, полученными из других экспериментов.

Индуктивности сверхпроводящих линий, изготоаченных в различных уровнях интегральной схемы, и лондоновская глубина проникновения магнитного поля пленки Nb Х^ь определялись из измерений ПХ СКИ. Оптимальное шунтирование ДП происходило при подключении резисторного шунта через сверхпроводящую закоротку. Здесь и далее ДП представляют собой туннельные (SIS) переходы, зашунтированные резисторами Rs так, что они обладают безгестирезисными ВАХ. При этом эффективная характерная частота сос такой структуры меньше плазменной частоты сор [1].

шс < шр , юс = 2я1с1уФ0, сор= (2я1с/Ф0^)!/2 , (2)

где Cj емкость джозефсоновского перехода.

Для подавления резонансов в подводящих сверхпроводниковых

микрололосковых линиях реализовывался фильтр из резистора значением

7

порядка 10 ом, под которым был вырезан сверхпроводниковый экран для увеличения значения его индуктивности. В работе было экспериментально продемонстрировано отсугсвие взаимовлияния ячеек БОК логики при растояниях между ними более 10 мкм.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ описаны результаты экспериментальных исследований простейших БОК ячеек, широко используемых в схемах: линий передачи и усиления, элемента выполняющего функцию однонаправленной передачи информации, триггера со счетным входом.

В разделе 3.1. кратко излагаются результаты изучения линий передачи и усиления одноквантовых импульсов с их разветвлением и объединением. Линия состоит из ДП (Рс<1), соединенных индуктивностями, и смещенных постоянными токами, несколько меньшими их критических значений [А5].

В разделе 3.2. описывается элемент однонаправленной передачи информации на элементах БОК логики. Экспериментально продемонстрировано однонаправленное пропускание одноквантовых импульсов при частоте их следования до 130 ГГц [А4].

В разделе 3.3. приводятся результаты экспериментального исследования триггера со счетным входом (Т-триггера) [4], его быстродействия и областей работоспособности. Т-григгер состоит из двух соединенных последовательно двухконтактных СКИ. Запоминающий интерферометр триггера имеет два эквивалентных устойчивых состояния, отличающиеся направлением циркулирующего в нем тока. Циркулирующие токи суммируются с токами питания, усиливая смещение одних и ослабляя смещение других ДП. Параметры Т-триггера выбраны такими, что поданный на него одноквантовый импульс всегда переключает ДП с большим смещением. В результате, каждый следующий входной импульс изменяет направления циркулирующих токов в контурах интерферомеров и уровень смещения ДП. Таким образом ДП Т-триггера переключаются в два раза реже, чем ДП, выполняющий функцию генератора. Для расширения диапазона допустимого изменения параметров в среднюю точку

В

индуктивности Ь запоминающего интерферометра Т-триггера включен резистор И. Расширение диапазона допустимого изменения параметров с помощью данного резистора происходит за счет задержки цепочкой ЬД процесса изменения направления циркулирующего тока. При этом, пока Ь/(2Я)< 1С- ж/<вс, введение этого резистора не уменьшает общего быстродействия триггера.

Высокочастотные процессы в одноквантовых схемах изучались традиционным способом, согласно которому средняя частота следования одноквантовых импульсов определяется косвенно, по измерению среднего напряжения: ^ =У/Ф0 [АЗ-А6]. Для активации схемы все ДП были смещены постоянным током питания на величину 0.7-0.8 от уровня их критических токов. Для корректной работы Т-триггера, при необходимости, подавался дополнительный ток ^ через индуктивность Ь. Этот ток создавал постоянное магнитное смещение (Ф=Ф0/2), обеспечивая эквивалентность двух состояний интерферометра. Работа элемента проверялась измерением ВАХ на его входе и выходе при различных напряжениях на его входе. Правильной работе соответствовало деление входного напряжения Т-триггером (Увых =^вх/2). Результаты эксперимента показывают, что схема работает правильно до частоты 110 ГГц, при этом до частоты 80 ГГц области работоспособности составляют ± 30% [АЗ,А5]. Правильная работа элемента для фиксированного значения входной частоты 30 ГГц сохраняется при изменении значений потока подмагничивания Ф0 = ^ Ь на ±35% [АЗ,А5].

Полученные результаты показывают, что простейшие одноквантовые элементы, необходимые для реализации сложных схем и устройств, правильно функционируют при тактовых частотах порядка 100 ГГц и обладают широкими областями работоспособности.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена экспериментальному исследованию элементов, предназначенных для ввода информации в интегральную схему (ИС) и вывода информации из нее. Важность этих элементов связана с тем, что в самой ИС информация представляется в одноквантовой форме, а вне ИС, для

9

внешних устройств, она должна представляться в традиционной потенциальной форме.

В разделе 4.1. описаны экспериментальные тестовые структуры с элементами преобразования информации из потенциальной формы в одноранговую (ОС/ЗРО) и обратного преобразования (8Р0/13С) [12,АЗ,А5]. Для изучения работы БС/5Р(3 и 8Р(3/БС преобразователей они бьши соединены простейшей линией передачи. ОС/8Р<3 преобразователь представляет собой двухконтактный квантующий интерферометр. При нарастании входного тока 1вх до величины 1оп происходит переключение и генерация выходного 2Р(2 импульса переходом СКИ, подсоединенным к линии передачи. В результате этого процесса в контуре СКИ наводится циркулирующий против часовой стрелки ток 15=Ф0/Ь, соответсвующий захвату в этот контур кванта магнитного потока, который блокирует следующее переключение перехода. Параметры СКИ выбраны так, чтобы при уменьшения тока 1вх вызвать переключение второго перехода СКИ. Таким образом через этот переход происходит удаление кванта из СКИ и восстановление его исходного состояния. Таким образом, происходит преобразование внешнего сигнала большой длительности в короткий пикосекундный 8Р<2 импульс.

5Р<3/ОС преобразователь представляет собой обсуждавшийся ранее Т-триггер, к средней части индуктивности которого подключен считывающий СКИ. Он представляет собой симметричный двухконтактный интерферометр с меньшим, чем у Т-триггера, значением критического тока. Работа преобразователя основана на факте захвата считывающим интерферометром ровно половины потока, находящегося в Т-триггере. При двух различных состояниях Т-триггера, т. е. при захваченном в нем магнитном потоке 0 или Ф0, в считывающий СКИ попадает поток 0 или Ф0/2, что соответствует двум наиболее различающимся значениям его критического тока. Если в считывающем СКИ поток отсутствует, он находится в сверхпроводящем

состоянии; при захвате в Т-триггере кванта потока в считывающем СКИ появляется напряжение.

Экспериментально измеренный уровень выходного сигнала БРСЗ/ПС составлял 220 мкВ. Определенные в эксперименте допустимые пределы изменения токов для обоих типов преобразователей составили ±40 % [АЗ,А5].

В разделе 4.2. приводятся результаты экспериментального исследования

О

элемента неразрушающегося считывания (N0110), который также может быть использован для синхронизации сигналов. Были реализованы элементы с гальванической и индуктивными связями. Для экспериментального исследования контролировались ВАХи входа и выхода при различных сигналах управления. Функционирование элемента на низких частотах проверялось путем подачи на ОС/БРС? входного и управляющих терминалов различных комбинаций пилообразного тока со специального генератора, управлямого РС, и контролем напряжения на выходном БРСЗ/ОС. При этом амплитуда тока соответствовала генерации одного или двух одноквантовых импульсов напряжения на ОС/5Р(2 элементах. Экспериментальные результаты показывают правильное функционирование элемента до частоты 12 Ггц [А161.

В разделе 4.3. продемонстрирована работа умножителя напряжения на два, основанного на умножении частоты следования одноквантовых импульсов. В цифровых схемах данный элемент может быть использован в качестве буфера для связи двух частей схемы, работающих на различных, но кратных частотах. В аналоговом режиме такой элемент перспективен при создании эталонов вольта, СКВИДа и т.д. В этом случае происходит умножение напряжения, но сам процесс удвоения проводится "квазицифровым" способом, путем удвоения частоты следования одноквантовых импульсов. Экспериментально получено правильное функционирование квазицифрового одноквантового умножителя напряжения на два до частоты 120 ГГц [А8,А9].

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена изучению устойчивости переключения

одноквантовых элементов и исследованию процесса передачи импульсов

и

напряжения. Одним из распространенных способов исследования корректного функционирования устройств и элементов является метод кольцевого тестирования, который позволяет прикладывать на исследуемые ячейки эквидистантные тестовые импульсы циркулирующие в кольцевой структуре. В разделе 5.1. приводятся результаты экспериментального изучения, основанные на включении исследуемых элементов в сверхпроводящее кольцо из шунтированных ДП. В первой из схем в кольцо был включен БК (буферный каскад), во второй инвертор. Схемы содержали БС/ЗРО преобразователь, посредством которого потенцильный сигнал преобразовывался- в одноквантовый. Одноквантовый импульс напряжения записывался в кольцо с помощью двух БК (объединительный буфер). При наличии тока смещения на переходах кольца данный импульс напряжения перемещается по кругу, переключая ДП и создавая напряжение в кольце, пропорциональное частоте их переключений. При приходе с ОС/Э РО следующего импульса напряжения число квантов, вращающихся в кольце, увеличивается на единицу, обеспечивая пропорциональный рост напряжения. Если число квантов в кольце остается постоянным, напряжение в кольце тоже не изменяется. При ошибочном переключении, вызываемом действием флуктуации, количество квантов в кольце изменяется, приводя к изменению уровня напряжения на нем. Таким образом, контролируя постоянство напряжения на кольце в течение данного времени, определяется число безошибочных переключений исследуемого элемента.

Для схемы с БК экспериментально было показано, что при оптимальном токе смещения одноквантовый импульс в кольцевой структуре может без изменения существовать несколько часов. Так, для случая трех квантов в кольце, когда частота переключения ДП, согласно соотношению Джозефсона равнялась Г= V/Ф0 » 15 ГГц, устойчивость состояния кольца сохранялась более 4 часов, что соответствует приблизительно 1015 корректных переключений элемента БК.

Вторая тестовая схема содержала дополнительный БС/ЗРО. Подача одноквантового импульса напряжения на элемент БОК логики "НЕ",

12

включенный в кольцо, приводила к выходу из кольца кванта магнитного потока. Таким образом, два БС/ЭРО преобразователя позволяли запускать в кольцо или выпускать из кольца квант магнитного потока. При экспериментальном исследовании число безошибочных переключений для элемента "НЕ" составило не менее 1014 [А17].

В разделе 5.2. описывается работа сверхпроводникового стробоскопического преобразователя, основанного на шунтированных ДП. Использование джозефсоновских переходов в стробоскопическом преобразователе базируется на их ультракоротком времени переключения. Применение шунтированных переходов позволяет исследовать импульсные процессы с высокой тактовой частотой и относительно легко реализовать прецизионную управляемую током линию задержки. Тестовая схема содержала генератор (шунтированный ДП), создающий поток одноквантовых импульсов напряжения с частотой £ Этот поток направляется в две джозефсоновские линии; одна из них заканчивается ДП, генерирующим стробимпульсы, другая исследуемым переходом. Стробирующий и сигнальный импульсы складываются с постоянным током смещения и прикладываются к переходу, являющимся компаратором. Когда сумма этих токов превышает критическое значение тока компаратора, он переходит в резистивное состояние; напряжение на нем пропорционально частоте исследуемого сигнала.

Токи питания линий имели постоянные составляющие, которые устанавливались на уровне 0.8 от их критических значений и небольшие (около 0.1 от их криттоков) медленно меняющиеся компоненты 1<л и 1^2, значения которых определяли задержку импульсов на линиях. Для увеличения задержки между строб и сигнальными импульсами и уменьшения влияния токов в линиях на генератор, токи и 1^2 были равными по величине и противоположными по знаку. Экспериментально определенное время задержки для двух линий по 13 ДП составило величину 9.1+0.8. пс/мкА. Полное изменение величины

компенсирующего тока в компараторе составляло более 10 мкА, при частоте следования импульсов до 7 ГГц [А14,А14а,А16].

В разделе 5.3 описываются результаты экспериментального исследования влияния на характеристики ДП джоулевого тепла, выделяемого в резисторе. В эксперименте через резистор величиной Я=20 О пропускался постоянный ток и исследовалось распределение значений критических токов цепочки из 100 одинаковых последовательно соединенных ДП, расположенных вблизи резистора. Заметное различие значений критических токов 1с наблюдалось при токах через резистор «• 80 мА. В реальных схемах основное тепловыделение происходит в резисторах линий питания, которые расположены относительно равномерно по схеме на значительных расстояниях от ДП схемы. Поэтому, в одноквантовых структурах, даже при увеличении уровня интеграции до Ю^-Ю^ элементов на см^, тепловыделение не будет лимитирующим фактором.

В ГЛАВЕ ШЕСТОЙ приводятся результаты экспериментального исследования элементов, необходимых для реализации аналого-цифрового преобразователя (АЦП), основанного на подсчете одноквантовых импульсов напряжения.

В разделе 6.1 реализованы и исследованы входные элементы АЦП. Одними из основных параметров аналого-цифрового преобразователя, наряду с быстродействием и точностью, являются чувствительность и линейность. В АЦП последовательного типа, где преобразование аналогового сигнала осуществляется одним сравнивающим устройством (компаратором) с равномерной шкалой и дальнейшим подсчетом квантованных величин двоичным счетчиком, чувствительность и линейность АЦП определяются аналогичными параметрами компаратора. Компаратор представлял собой двухконтактный интерферометр на шунтированных ДП. Входной сигнал подавался на компаратор через индуктивный трансформатор. Для улучшения связи с компаратором трансформатор был реализован в виде многовитковой спирали, лежащей на контуре СКИ [8]. Были сконструированы два различных трансформатора с

14

десятью и двадцатью пятью витками. Входные элементы обладали чувствительностью 75 мкА и 35 мкА на квант и позволяли линейно преобразовать аналоговый сигнал, пропорциональный 333 и 440 квантам магнитного потока, соответственно. Полученные результаты показывают, что разработанные в диссертации входные элементы обладают чувствительностью и линейностью, достаточной для реализации 8- разрядного АЦП, который имеет 256 квантованных уровней [А14,А14а,А16].

В разделе 6.2. приведены результаты измерения двухразрядного двоичного счетчика одноквантовых импульсов. Каждый разряд счетчика представлял собой уже обсуждавшийся ранее Т-триггер. Для развязки генератора (шунтированный ДП) от счетчика и разрядов счетчика между собой использовались БК. После прохождения первого каскада импульсы усиливались с помощью линии передачи. Проверка функционирования двухразрядного счетчика проводилось путем исследования ВАХ в трех точках схемы: на выходах генератора, первого и второго каскадов. После установления оптимального тока питания и задания токов настройки Т- триггеров, обеспечивающих эквивалентность их состояний, на генераторе, пропусканием тока lin, создавалось напряжение VI. При этом напряжение на выходе первого каскада было равно Vl/2, а на выходе второго каскада - VI/4. Экспериментальные результаты показывают правильность работы двухразрядного счетчика до частот следования входных импульсов Г=45ГТц (A4].

В разделе б.З. приводятся экспериментальные результаты измерений АЦП, основанного на реверсивном счетчике. Схема реверсивного счетчика строилась по типу однонаправленного счетчика с добавлением новых элементов. В такой схеме в случае увеличения сигнала импульсы -поступают в младший разряд счетчика [LSB|, при уменьшении сигнала импульсы поступают во все разряды, что в комплементарном (дополнительном) двоичном коде эквивалентно добавлению (-1). Применение SFQ/DC преобразователей во всех разрядах счетчика позволило выполнить функцию асинхронной схемы чтения. В

результате любое изменение состояния счетчика приводит к одновременному изменению сигналов на выходах преобразователей. Недостатком этой версии реверсивного счетчика является потеря БН^) импульсов, приходящих из двух линий к объединителю одновременно. Чтобы устранить эту возможность, время задержки для импульсов инверсной линии было выбрано меньшим, чем в суммирущей линии.

Было изготовлено и исследовано два вида интегральных схем. Первая схема представляла собой двухразрядный реверсивный счетчик с независимыми суммирующим и инверсным входами. Была продемонстрирована правильная работа 2-разрядного реверсивного счетчика до напряжений порядка 100 мкВ, что соответствует частотам до 50 ГГц [Аб]. Вторая схема представляла собой 8-разрядный АЦП. Эта интегральная схема содержала 172 джозефсоновских переходов и 300 резисторов.

На рисунке показаны результаты исследования второй тестовой схемы, где приведены низкочастотные измерения первых двух разрядов 8- разрядного АЦП. При данной амплитуде пилообразного входного тока компаратор генерировал 6 одноранговых импульсов. В зависимости- от направления 1;п (нарастание или уменьшение)

происходила либо в суммирующей, либо в реверсивной линиях.

генерация -225/М о

Т|пе, 100 ге

Ограниченное количество контактных площадок на кристалле (16 двойных контактов) позволяло регулировать токи смещения объединителей только первых двух разрядов. Это не позволило реализовать правильную работу всех 8 разрядов одновременно, но тем не менее было получено корректно функционирование каждого разряда в отдельности. Возможной причиной, затрудняющей работу 8-разрядного АЦП в целом, является влияние остаточного магнитного поля,

влияющего по-разному на разряды. Другой причиной может быть технологический разброс параметров от разряда к разряду. Совершенствование технологии изготовления, создание специальной экспериментальной установки с дополнительной экранировкой магнитного поля, а также оптимизация конструкции схемы позволят устранить влияния этих паразитных факторов и реализовать сверхпроводниковый АЦП с рекордными параметрами.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ приводятся основные результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Создан автоматизированный стенд для экспериментального исследования вольт-амперных характеристик и основных параметров сверхпроводниковых структур. Экспериментально определены электрофизические параметры ДП и многослойных сверхпроводниковых микросхем на их основе (удельная емкость Суд ДП, индуктивности сверхпроводящих линий, изготовленных в различных уровнях интегральной схемы, глубина проникновения магнитного поля в пленки из №, разброс значений критических токов ДП в многоэлементных структурах).

2. Экспериментально определен оптимальный способ шунтирования туннельных ДП, используемых при реализации элементов и устройств быстрой одноквантовой (БОК) логики с параметром Мак-Камбера-Стюарта р<1. Предложен и реализован способ фильтрации внешних помех и возбуждений, возникающих в высокодобротных сверхпроводниковых подводящих линиях. Экспериментально установлено отсутсвие взаимовлияния ячеек БОК логики при растояних между ними более 10 мкм.

3. Впервые экспериментально продемонстрирована корректная работа БОК элементов и исследованы их быстродействие и области работоспособности. Установлено правильное функционирование буферного каскада, выполняющего функцию однонаправленной передачи информации, до частоты 130 ГГц с

областью работоспособности ±20%; Т-триггера до частоты 80 ГГц при области работоспособности ±25%, и до 110 ГГц при области работоспособности ±10%.

4. Впервые экспериментально реализованы и исследованы элементы преобразования информации из потенциальной формы в одноквантовую и обратно. Области работоспособности элементов составляют ±40%, выходное напряжение преобразователя одноквантовой формы информации в потенциальную достигает величины 220 мкВ. Экспериментально исследован элемент неразрушающегося считывания, показана правильная его работа до частоты 10 ГГц. Экспериментально получено корректное функционирование квазицифрового-одноквантового умножителя напряжения на два до частоты 120 ГГц.

5. Впервые проведены экспериментальные исследования по определению числа безошибочных переключений в сверхпроводниковых структурах, основанных на элементах быстрой одноквантовой логики. Установлено, что буферный каскад может выполнять не менее 10+15 безошибочных переключений. Впервые экспериментально реализован и исследован стробпреобразователь на шунтированных ДП, пригодный для исследования элементов БОК логики с частотой следования повторяющихся сигналов 7 ГГц. Экспериментально реализована управляемая током сверхпроводниковая линия задержки на шунтированных ДП с временем задержки = 10 пс/мкА. Экспериментально исследовано влияние тепловых градиентов на структуры ДП; полученные результаты дают оценку возможной плотности упаковки элементов порядка 10б вентилей на см^.

6. Экспериментально исследованы входные элементы (квантователи) АЦП на одиночных квантах магнитного потока, чувствительность элементов составляла 35 мкА на Ф0. Требуемая линейность элемента сохранялась при изменении входного сигнала в диапазоне, соответствующем 440 квантованным уровням, достаточном для реализации 8-разрядного АЦП (256 уровней). Впервые экспериментально продемонстрирована правильная работа 218

разрядного АЦП на одиночных квантах магнитного потока с корректно функционирующим до частоты 20 ГГц реверсивным счетчиком (при изменения токов питания в пределах ±12%).

ПУБЛИКАЦИИ.

Основные результаты диссертации представлены в следующих публикациях:

1. Каплуненко В.К., Хабипов М.И. Эффекты синхронизации в сложной схеме на основе туннельных джозефсоновских переходов. // В сборнике трудов 25 Всесоюзного совещания по физике низких температур, Ленинград, 1988, С.83. с. 165-166.

2. Belitsky V.Yu., Ermakov An.В., Kaplunenko V.K, Khabipov M.I., Koshelets V.P., Likharev K.K., Matlashov A.N., Mukhanov O.A., Semenov Y.K., Serpuchenko I.L., Shitov S.V., Vystavkin A.N., Zhuravlev Yu.Ye. Preparation and Investigation of Integrated Superconducting Structures for Signal Detection and Data Processing.// Proceedings of the 15th USSR-Japan Electronics Symposium on New Materials for Electronic Devices, 1988, P.221- 244.

3. Kaplunenko V.K., Khabipov M.I., Koshelets V.P., Likharev K.K., Mukhanov O.A., Semenov V.K., Serpuchenko I.L., Vystavkin A.N. Experimental Study of the RSFQ Logic Elements.// IEEE Trans on Magn., 1989, V. MAG-25, No.2, P. 861-864.

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

5. A.H. Выставкин, B.K. Каплуненко, В.П. Кошелец, K.K. Лихарев, O.A. Муханов, В.К. Семенов, И.Л. Серпученко, М.И. Хабипов. Экспериментальное исследование джозевсоновсих цифровых одноквантовых элементов.// "Сверхпроводимость: физика, химия, техника"

1990, т.З, В.2 с. 173-184.

6. Filippenko L.V., Kaplunenko V.K., Khabipov M.I., Koshelets V.P., Likharev K.K., Mukhanov O.A., Rylov S.V., Semenov V.K., Vystavkin A.N. Experimental Implementation of Analog-to-Digital Converter Based on the Reversible Ripple Counter. // IEEE Trans on Magn, 1991, V. MAG-27, No.2, P.2642-2467.

7. Koshelets V.P., Kaplunenko V.K., Khabipov M.I., Kovtonyuk S.A., Shitov S.V. Superconducting devices for signal detection and data processing. Int. Conf. on High Temp. Superconductivity and Localisation Phenomena, Moscow, May,

1991.

8. Kaplunenko V.K., Koshelets V.P., Khabipov M.I., Golomidov V.M., Kovtonyuk S.A. Single flux quantum quasi digital voltage amplifier. ISEC'91, Glasgow, 1991, p. 175-178.

9. Kaplunenko V.K., Koshelets V.P., Khabipov M.I., Golomidov V.M., Kovtonyuk S.A. Single Flux Quantum Quasi Digital Voltage Amplifier. // Super. Sci. Technology, 1991, v.4, p. 671-673.

10. Kaplunenko V.K., Khabipov M.I., Goldobin E.B. Experimental Investigation of a High Frequency Sampling System Based on Shunted Josephson Junctions. // ISEC'91, Glasgow, 1991, p. 171-174.

11. Kaplunenko V.K., Khabipov M.I., Goldobin E.B. Experimental Investigation of a High Frequency Sampling System Based on Shunted Josephson Junctions. // Super. Sci. Technology, 1991, v.4, p. 674-676.

12. Ermakov An.B., Kaplunenko V.K., Khabipov M.I., Koshelets V.P., Kovtonyuk S.A., Shcukin A.V., Shitov S.V., Vystavkin A.N. " Integrated Superconducting microcircuits for mm wave Receivers and Digital Devices" Journal of Advanced Science, 1991, v.3, N 3, pp.105-130.

13. E.B.Goldobin, V.K.Kaplunenko, M.I.Khabipov, L.V.Filipenko. Wide frequency band system to test RSFQ logic // ICEC/ICMC, 1992, Report EC-DP11, Kiev-92.

13a. E.B.Goldobin, V.K.Kaplunenko, M.I.Khabipov, L.V.Filipenko. Wide frequency band system to test RSFQ logic. // Cryogenics, 1992, v 32, ICEC Supplement, p. 549-552.

14. V.M.Golomidov, V.K.Kaplunenko, M.l. Khabipov, V.P.Koshelets, O.V.Kaplunenko. Single Flux Quantum Voltage Amplifier. // ICEC/ICMC, 1992, Report EC-DP7, Kiev-92.

14a. V.M.Golomidov, V.K.Kaplunenko, M.l.Khabipov, V.P.Koshelets, O.V.Kaplunenko. Single Flux Quantum Voltage Amplifier. // Cryogenics, 1992, v 32, ICEC Supplement, p. 509-512.

15. V.K.Kaplunenko, M.I. Khabipov, V.P.Koshelets, S.A.Kovtonyuk, and D.Yu.Khohlov. Experimental Implementation of the Eight Bit Analog to Digital Converter. // ICEC/ICMC, 1992, Report EC-DP11, Kiev-92.

15a. V.K.Kaplunenko, M.I. Khabipov, V.P.Koshelets, S.A.Kovtonyuk, and D.Yu.Khohlov. Experimental Implementation of the Eight Bit Analog to Digital Converter. // Cryogenics, 1992, v 32, ICEC Supplement, p. 558-561.

16. V.K. Kaplunenko, M.I. Khabipov, D.Yu. Khohlov, A.F.Kirichenko, V.P.Koshelets, and S.A.Kovtonyuk. EXPERIMENTAL IMPLEMENTATION OF SFQ NDRO SELLS AND 8-BIT ADC // ASC-92, EOB-2, Chicago, USA, 1992.

17. E.B. Goldobin, ' V.M.GoIomidov, V.ll. Kaplunenko, M.I.Khabipov, D.Yu.Khohlov, A.Yu.Kidiyarova-Shevchenko. Direct determination of the ultimate performance of the RSFQ digital devices and Single Flux Quantum Amplifier.// ASC-92, EOA-6, Chicago, USA, 1992.

18. A.N.Vystavkin, M.A.Tarasov, V.P.Koshelets, S.V.Shitov, V.Yu.Belitsky, S.A.Kovtonjuk, O.V.Kaplunenko, G.V. Prokopenko, L.V.Filippenko, A.V.Shchukin, V.P.Kaplunenko, M.I.Khabipov, S.Yu.Turygin,"SIS Junction mm Wave Receivers", доклад на 22-nd European Microwave Conference, Хельсинки, Финляндия, p.981-986, 1992.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1. Лихарев К.К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. М.: Наука, 1985.

2. Lee G.S., Petersen D.A. Superconductive A/D Converters // Proceedings IEEE August 1989, V. 77, pp. 1264-1273.

3. Муханов O.A., Семенов В.К. Об одной возможности передачи цифровой информации в структурах с джозефсоновскими контактами. // Препринт 9/1985, М: МГУ, 1985.

4. Mukhanov О.А., Semenov V.K., Likharev К.К. Ultimate Performance of the RSFQ Logic Circuits. // IEEE Trans on Magn., 1987, V. MAG-23, No 2, P. 759-762.

5. Likharev K.K., Semenov V.K., RSFQ Logic/Memory Family: A New Josephson-Junction Technology for Sub-Terahertz-Clock-Frequency Digital Systems. // IEEE Trans on Appl. Supercon., March 1991, V. 1, pp. 3-28.

6. Koshelets V.P., Kovtonyuk S.A., Serpuchenko I.L., Filippenko L.V., Shchukin A.V. High Quality Nb-AlOx-Nb Tunnel Junctions for microwave and SFQ Logic Devices. // IEEE Trans on Magn., V. MAG-27, No.2, pp. 3141 - 3144, (1991).

7. Polonsky S.V, Semenov V.K., Shevchenko P.N. PSCAN: Personal Superconductor Circuit ANalyzer // Supercond. Sci. Technol., Nov. 1991, v 4, pp. 667-670.

8. Ketchen M.B., Jaycox J.M. Ultra-low-noise tunnel junction SQUID with tightly coupled planar input coil. // Appl. Phys. Lett., 1982, V. 40 No 8, pp. 736-738.