Сверхпроводниковые туннельные структуры на основе ниобия для приема и обработки слабых сигналов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

Серпученко Ирина Леонидовна

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ТУННЕЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ НИОБИЯ ДЛЯ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СЛАБЫХ СИГНАЛОВ.

(01.04.04- физическая электроника)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Иссквэ, 1.9'! 2 Г'

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН г. Москва

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

A.Н.Выставкин,

доктор физико-математических наук

B.И.Кошелец

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Махов В.И.

кандидат физико-математических наук Масленников О.В.

Ведущая организация: Физико-технический институт иы. Иоффе РАН (г. С.-Петербург)

Защита состоится 13 марта 1992 года в {0 час. 00 мин. на заседании специализированного совета Д.002.74.01 в ИРЭ РАН но адресу: Москва, 103Э07, Проспект Маркса, 18.

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

Автореферат разослан ''_"__199Л г.

Учений секретарь специализированного совета Д. 002.74.01

д.ф.-м.н. " " / С.Н.Ар-геменко

I. Общая характеристика работы

-.'. | Актуальность_темы. Эффект Джозефсона [I] может быть "успешно использован для создания различных устройств с чрезвычайно высокими параметрами, в частности, сверхчувствительных систем для приема слабых СВЧ сигналов, а также цифровых и магнитометрических устройств.

В начале 80-х годов начались исследования туннельных переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) на основе тугоплавких материалов. Это привело к широкому применению таких структур для приема и обработки сигналов малой мощности. Для различных применений СИС переходов возникают различные требования к их параметрам и характеристикам. Для устройств на квазичастичной нелинейности основным требованием является малое размытие энергетической щели и малые токи утечки ниже щелевого напряжения. Для систем, использующих джозефсоновскую зависимость сверхгока от разности фаз, нужны переходы с безгистерезисной вольт-амперной характеристикой. Но существуют и общие требования к элементам, используемым в различных областях. Это возможность получения переходов с контролируемыми параметрами, стабильность и надежность, воспроизводимость от цикла к циклу и малый разброс параметров по подложке. Последнее требование особенно важно при изготовлении многоэлементных систем.

Настоящая диссертация посвящена изучению свойств СИС переходов на основе ниобия. Исследования были направлены на создание лабораторной технологии изготовления стабильных и высококачественных СИС переходов, пригодных для использования в СВЧ, магнитометрических и цифровых устройствах. Необходимо было изучить влияние режимов изготовления на структуры пленок и на характеристики и соновные электрофизические параметры СИС переходов.

определяется наиболее существенными результатами, полученными в данной работе;

- изучено влияние методов и режимов напыления, а также материала подложки па структуру пленок »шм:ач, Определена

условия получения пленок ниобия с высок®- степенью ориентации, а также с размерами и формой кристаллитов, необходимыми для создания на основе этих пленок высококачественных СИС переходов;

- в результате проведенных экспериментов исследованы параметры туннельного барьера и зависимость удельной емкости переходов NЬ-ALDX~NЬ от режимов изготовления, в том числе

от толщины искусственного барьерного слоя на основе алюминия и условий его окисления. Получено соответствие значений величин удельной емкости, измеренных двумя различными способами;

- впервые экспериментально исследовано влияние нормальных слоев вблизи барьера структур МЬ-А10Х-МЬ, ЫЬ~ЫЬх0ц-РЬ на характеристики СИС переходов;

- впервые предложена и разработана технология изготовления стабильных и надежных переходов ЫЬ-АШх-МЬ , не требующая шшзмо-химического травления и анодирования;

- впервые изучены способы шунтирования СИС переходов и определены оптимальные условия шунтирования для получения элементов с безгистерезисной ВАХ для цифровых устройств;

- впервые разработана и оптимизирована технология изготовления сверхпрово.цншсовых резистивных одноквантовых цифровых устройств;

- проведена оптимизация режимов изготовления сложных структур на основе переходов с полупроводниковой прослойкой из аморфного креынля;

- впервые предложена и разработана конструкция и методика изготовления распределенных джозефеоновских переходов с неоднородностями.

^ результате выполнения работы разработана технология, оптимизированы режимы и изготовлены высококачественные стабильные СИС переходы Ы1-к№%-НЬ , на основе которых созданы СВ4 приемники 36 и ЧИ ГГц с шумовой гомпературой менее ЬО К.

Предложена и разработана тохнологпл изготовления стаби-. •-::их и надеиных переходов ЫЬ-М0~-;Ц , т требуюцая ллазмо-.пиизского травления и анодироошши. ¡1а основе этой техноло-оси,нси^: сверхаровоцаиковис шюгоолеыентные и многослойные

структуры, содержащие до 100 элементов с числом слоев до 14, с разбросом параметров менее 10 %. В частности, Оыл изготовлен ряд цифровых одноквантовых структур.

На основе этой же технологии созданы квантовые интерферометры с энергетическим разрешением ЪДх/Гц.

1. Экспериментально показано, что при использования предложенной в работе технологии изготовления структур Ь1Ь-М0Х - А/ Ь , получаемых с разрывом вакуума без использования

дополнительных операций плаэмо-химического травления и анодирования, возможно создание стабильных и надеиных качественны;: переходов, пригодных к использованию в СШ приемных устройствах, магнитометрах и цифровых устройствах.

2. В результате экспериментального исследования влияния толдины нормальной прослойки а и условий изготовления а структурах 5 NI N 3 определены условия получения переходов с, минимальным размытием дели $4? 4 100 мкВ и малой утечкоГ; ^э/^-гс Показано, что при изменении й возможно получение структур с контролируемой величиной размытия щели и тока утечки.

3. Экспериментально определено, что существуют оптимальные условия получения высококачественных СИС переходов типа ЫЬ-АМ^-ЫЬ, изготовленных в едином вакуумном цикле.

4. Разработанная технология изготовления высококачественных туннельных переходов позволяет создавать приемные элементы для смесителей на квазичастичной нелинейности, в которых был реализован квантовый режим преобразования на частотах выше

36 ГГц. При использовании таких переходов и структур на их основе была получена шумовая температура приемника 50 К на частоте 45 ГГц.

5. Предложена конструкция, методика и изготовлены распределенные джозефсоновские переходы с искусственно созданными неоднородностями, что позволило наблюдать в таких переходах стационарные связанные состояния, обусловленные захватов джозефсоновского вихря эт;<ми неоднородностями, а также коллективный резонансный эффект излучения плазменных волн цепочкой флаксонов.

S. Разработано несколько способов н экспериментально определен оптимальный способ шунтирования туннельных переходов с целью получения безгистерезисной вольтаыперной характеристи-гш. Предложенная способ позволяет создавать на основе шунтированных СИС пэреходог джоэефсоновские структуры с безгпсте-резисной ВАХ. Показано, что такие структуры являются базовыми элементами для создания квантовых интерферомотроэ постоянного ■гока и oflHOKEah-fODtix цифровых устройств. Была разработана тех-лология изготовления сверхпроводниковых одноквантовых цифровых устройств, имеющих 14 слоев, содержащих 100 элементов размером 5 ыкм и разбросом параметров -10 %, работающих с тактовой частотой 50 ГЩ при больших допусках токов питания.

Апробация работ!!. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах МГУ и ИРЭ АН СССР, а так;:» на:

тематическом семинара "Эффект Дзооефсогса в витапк-тальиой технике', i*. Киеы, 1985 г.;

- НендународиоЛ ко^зранцлГ! во прикледноЯ сверхпрозиди-цости, США, Балтимор, 1S8S г.; Сан-Франциско, США, 1933 г.;

•• ¡¿ездународной конференции по сеерхпроводншсовой электронике, Япония, 1987, 1989 гг.;

" Всесоюзной конференции "Радноастроншичесиая аппаратура", Ереван, I9Q5 г.;

- йекдународном симпозиуме по кизкотемпвратурноИ физике и ириоэлентроиико, Иена, ГДР, 1984 г.;

~ Мевдународной конференции микроволновой техники, Китай, 1989 г.

Публикации. Основные результаты настоящего исследования опубликованы в 26 печатных работах.

Структура и объем заботы. Диссертация состоит из предисловия, четырех глав, закличешь и библиографии. Объем работы составляет 187 страниц, включает 51 рисунок и 4 таблицы. Библиография содержит 121 наименоьание.

П. Структура работы

3 У]эедислдвии обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель работы, приведены основные результаты, выносимые на защиту, и краткие данные о структуре работы и содержании отдельных глав.

В главе_1 содержится обзор литературы по технологии изготовления различных СИС структур. Изложение начинается с введения, в котором кратко рассмотрены физические основы сверхпроводниковой электроники. В параграфе 1.2 дан критический обзор существуюцих технологий изготовления СИС переходов на основе "мягких" материалов, таких кале индий, олово, свинец и их сплавы. Отмечены недостатки таких переходов. В последующих параграфах рассматриваются различные методы изготовления структур, в которых удалось бы этих недостатков избежать. Активно начинает развиваться технология на основе тугоплавких материалов, в частности, ниобия. Появляются работы по использовании в качестве туннельного барьера различных искусственных прослоек (окисла алюминия, магния и других). Это позволяет изготавливать высококачественные и стабильные СНС переходы.

В параграфе 1.5 рассматриваются способы получения переходов с безгистерезисной ВАК, в которых два сверхпроводника разделены прослойкой из полупроводников (теллур, германий, сурьма, мышьяк и их соединения). Хорошие результаты бы/и получены при использовании в качестве прослойки аморфного кремния.

В параграфе 1.6 дан краткий обзор литературы по технологии изготовления цифровых устройств, выполненных на основе СИС переходов. Перечислены основные физико-технологические требования при изготовлении сложных многослойных схем. Описаны различные способы планаризации, позволяющие усложнять схемы, улучшать их характеристики. Рассмотрены различные концепции построения цифровых устройств: на основе джоэефсоновских переходов с гистерезисной и безгистерезисной ВАХ. Отмечены преимущества "безгистерезисной" концепции, на основе которой создаются в последнее время оцпокванговые цифровые устройства. Последним достижением в развитии одноквантовых схем явилась

система логических элементов - быстрая одноквантовая логика.

В конце главы на основе проведенного анализа литературы формулируется постановка задачи, обосновывается выбор цели исследования и средств решения поставленных задач.

В главе_{] подробно описывается технология изготовления стабильных высококачественных переходов на основе ниобия, система измерения их электрофизических параметров, обосновывается выбор методов напыления пленок для СиС переходов.

В параграфе 2.1 сформулированы основные физико-технологические требования, предъявляемые к сверхпроводящим пленкам, используемым для создания CMC переходов:

1. высокие критические параметры ( Тс * jc > Не ^ в сочетании с малой шириной перехода д Тс в сверхпроводящее состояние и, по возможности, с малой глубиной проникновения магнитного поля Л ;

2. мелкозернистость поликристаллических пленок;

3. однородность и равномерность слоя по толщине;

4. высокая стабильность электрофизических свойств слоев в процессе сформирования многослойных структур с последующим терыоциклированием до Т = 4,<d К;

5. низкая поверхностная активность, необходимая для получения резких границ перехода между слоями;

6. способность образовывать сверхтонкие пассивируюцие покрытия, препятствую, ие межслойной миграции;

7. высокая стойкость к механическим и электрическим воздействиям;

8. технологическая совместимость условий осаждения сверхпроводящих слоев с другими слоями структуры.

Сверхпроводящие слои на основе ниобия, полученные методами ыагнетронного распыления, являются наиболее перспективными, так как отвечают по чти всем вышеперечисленным требованиям.

Как следует из оозаоа литературы, проведенного в главе I, наиболее перспективными промежуточными слоями, образующими туннельный барьер в СИС структуре,являются искусственные прослойки, напыленные на нижний электрод из ниобия. В частности, пленка алюминия, напыленная методом магнетронного распыления, удовлетворяет следующим требованиям, предъявляемым к иромежу-

точным слоям: высокая плотность, сплошность, мелкозернистость, однородность и равномерность слоя по толщине, воспроизводимость плотности критического тока, электрическая прочность, малая диэлектрическая проницаемость.

Требования к изоляционным слоям: высокое электрическое сопротивление и диэлектрическая прочность при минимально допустимой толщине; малые диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь; технологическая совместимость по температурному коэффициенту со сверхпроводящими и промежуточными слоями, высокая плотность, хорошая адгезия. Наиболее часто в сверхпроводниковых структурах используется моноокись кремния.

В сложных многослойных структурах, как правило, используются резисторы. Наиболее часто в схемах на основе ниобия используют молибден и титан.

В параграфе 2.2 описывается устройство технологических установок, используемых в этой работе при изготовлении СИС переходов.

В параграфе 2.3 описаны методика и схемы измерения готовых СИС переходов. Представлена блок-схема низкотемпературной системы измерения вольтамперных характеристик и электрофизических параметров. Измерения параметров туннельных СИС переходов производились также с помощью автоматизированной системы измерений и анализа. Большинство параметров определялось непосредственно из ВАХ и зависимости дифференциального сопротивления . За величину нормального сопротивления принимается значение дифференциального сопротивления при V > 3 мВ. За величину сопротивления утечки принимается сопротивление касательной под щелью, Параметр (2 мВ) характеризует утечку. Для его определения измерялось сопротивление в точке 2 мВ. У переходов с большими значениями нормального сопротивления часто наблюдается подавление криттока, поэтому более правильной характеристикой утечки является отношение сопротивлений . Важным параметром СНС переходов, используемых в СВЧ устройствах, является величина размытия энергетической щелк 6 Уд . Эта величина определяется как разность кппрягхений в точках ВАХ вблизи ¡цели, где дифференциальное сопротивление Й ^ - Д. м / 2 н Р-Н -- К,-,' . Значение целевого напрл-•""ния '/л определилось з ч-сихе с -гчу'пльнкг.! .

В параграфе 2.4 описаны различные методы напыления пленок для СИС переходов. Приведены результаты исследования структурного состояния пленок ниобия, напыленного описанными методами. Для исследования структуры пленки был выбран метод электронной микроскопии, позволяющий определить состояние пленки (кристаллическое или аморфное;, разориентировку между соседними зернами, состояние границ, наличие текстуры. Исследовались пленки ниобия, напыленного электронно-лучевым и маг-нетронным распылением бог. дополнительного нагрева. При это;.: изменялась скорость раенкло:;;;,;, материал подложки (£(. , Бг , а при магнетронном распылении - давление аргона при напылении. Для получения высококачественных СИС переходов МЬ-АЮц-ЫЬ с малыми токами утечки необходимо, чтобы структура базового электрода была мелкозернистой, а' кристаллы должны быть вытянутыми [2] . Как показали исследования н&иих пленок, наиболее подходящим оказался метод магнетронного распыления со скоростью 2 ни/с на подслоЧ При этом получается пленка ниобия с зерном 5 * ? нм. На шкродифракцион-ной картине видно одно размытое кольцо, т.е. образуется состояние близкое к аморфному (рентгенс-аморфноиу). На микроструктурах, -полученных методом растровой электронной микроскопии, виден рельеф, а на сколах - столбчатая структура.

В результате проведенных исследований структур пленои-цс.иользуя описанные методики их напыления, удается получше пленки с требуемыми и контролируемыми параметрами и структурой.

В параграфе 2.5 подробно описаны технологические методы изготовления переходов типа |\]Ь-ЫЬ40у -РЬ , НЬ-5'11-НЬ(РЬ) , №Ь-АЮл . Описаны методы формирования структуры с помощью плазыэхимического травления и анодирования, что позволяет изготавливать структуру МЬ-АЮ„-ЫЬ в едином вакуумном цикле.

В параграфе 2.6 экспериментально иссле.дуется влияние нормального слоя вблизи туннельного барьера описанных в пи*-дыду-дем параграфе структур на их свойства. Экспериментально полученныо данные хорошо согласуются с теорией для и

5 ^ I М а структур'.

В конце главы (параграфе 2.7) оосуткдаатся полученные

- о -

результаты и делаются выводы.

В главе Ш проводится исследование основных электрофизических свойств высококачественных СИС переходов.

В параграфе 3.1 проводится исследование свойств СИС переходов в зависимости от режимов напыления пленок ниобия с целью получения высококачественных СИС переходов.

При уменьшении площади переходов возникает проблема ухудшения их качества, возникают пробои. Это, по-видимому, связано с возникновением внутренних механических напряжений в пленках ниобия во время его напыления [3] . Были проведены исследования режимов напыления пленок ниобия с целью получения минимальных напряжений. Исследовались пленки, напыленные при различных давлениях аргона в диапазоне 2'10 * 2* 10"^ мбар. Внутренние напряжения в пленках оценивались по изгибу стеклянных подложек толщиной 0,2 мм после напыления на них слоя ниобия ~ 200 нм. За оптимальные условия были выбраны: давление аргона мбар и скорость 2 нм/с. Оптимальное

с точки зрения напряжений в пленках ниобия давление.соответствует максимальному значению = 60 мВ; Ку / Я N = 35 и минимальному размытию щели 6 Уд =50 мкВ. Исследовалось влияние скорости напыления алюминия на качество СИС переходов.-Качество переходного слоя контролировалось с помощью "анодной спектроскопии"1 [4 } . За оптимальную была выбрана скорость 2 нм/с.

На основе проведенных исследований удалось добиться того, что при уменьшении размеров качество переходов ухудшается незначительно и остается достаточно высоким для всех рассматриваемых применений.

В параграфе 3.2 проведено исследование основных электрофизических параметров. -Из зависимости дифференциальной проводимости &[У) получились значения для толщины туннельного барьера от 0,85 до 1,1 нм при увеличении степени окисления, а высота~ 1,05 В.

Измерения параметров туннельного барьера предполагает однородность слоя окисла по плодади СИС перехода. Были исследованы зависимости критического тока от величины магнитного поля, параллельного плоскости перехода. Эта кривая сравнивалась с

теоретической. Соврадение расстояний между минимумами и соотношение высот максимумов, близкое к теории, свидетельствуют о высокой однородности туннельного барьера по площади перехода.

Несколькими способами была измерена удельная емкость перехода. Первый способ - по ступеням Фиске. Второй способ -состоит в измерении напряжений на ВАХ, соответствующих резонанса« двухконтактного интерферометра [б * ?] .

В параграфе 3.3 подробно рассматриваются особенности создания СИС структур для СВЧ применений. В настоящее время СИС структуры являются одним из наиболее перспективных элементов для создания высокочувствительных приемных устройств на основе нелинейной зависимости тока квазичастиц от напряжения на СИС переходе. В работах [8 - 103 было показано, что на основе СИС переходов с высокой крутизной ВАХ удается реализовать смесители с малой шумовой температурой ( |/к ). Более того, при соответствующем выборе импедансов трактов входного и преобразованного сигналов можно получить преобразование с усилением. Поэтому для создания СВЧ устройств необходимы стабильные высококачественные СИС переходы, имеющие малое размытие энергетической щели ), малые

токи утечки и малое значение емкости перехода, с

контролируемыми воспроизводимыми параметрами, СИС переходы типа МЬ'АЮ^-МЬ отвечают этим требованиям. Однако, изготовление СИС переходов для СВЧ применений имеет ряд особенностей. Из-за большой величинп диэлектрической постоянной (£ = 12 т + 16( кремний в качестве подложки не подходит для большинства СВЧ применений. Кроме того, подложки из кремния при ^ ЬО ГГц имеют большие потери. В качестве материала для подложек исследовались плавлений и кристаллический кварц и некоторые типы стекол.

Подложки из стекла обладают плохой теплопроводностью, а тепловой режим очень важен при формировании структуры Д|Ь-АЮХ_

. Даже небольшой нагрев при напылении пленок структуры приводит к ухудшению качества СПС перехода. Проводилось исследование качества переходного слоя ЫЬ/М в зависимости от температурного режима. Качество переходного слоя контролировалось с помощью кривых, полученных при анодировании изготовленной структуры.

Получение предельных параметров СВЧ систем возможно при улучшении качества СИС переходов. Это стало возможным при переходе на и 5МЕР технологию и после проведения оптимизации технологических параметров. При использовании на частоте 45 ГГц многоэлементной цепочки с параллельным смешением и компенсацией емкости, изготовленной на кварце в оптимальном режиме была получена шумовая температура 52 ± 10 К. В последующих разработках СВЧ устройств использование высококачественных СмС переходов, изготовленных в оптимальном режиме, позволило получить на частоте 115 ГГц шумовую температуру 20 К.

В параграф® 3.4 сделаны выводы по результатам работы, описанной в этой главе. '

В главе_1У рассматриваются практически созданные устройства, использующие джозефсоновекую нелинейность»

В параграфе 4.1 речь идет о распределенных джозефсонов-ских переходах. Были исследованы переходы Предложена конструкция, в которой неоднородности представляли собой ступеньки из моноокиси кремния. Длина переходов составляла 500 мкм, ширина 20 мкм. Толщина неоднородностей составляла 300 ± 50 им, что обеспечивало полное подавление джозеф-соновского туннелирования. На этих переходах были экспериментально обнаружены статические связанные состояния флаксонов,,. а также обнаружен экспериментально коллективный резонансный эффект излучения плазменных волн цепочкой флаксоиов при ее движении.

В параграфе 4.2 приведены результаты исследования цепочек джозефсоновских переходов с прослойкой из аморфного кремния. Цепочки из нескольких переходов позволяет улучшить предельные характеристики радиоэлектронных устройств.

Для экспериментальных исследований электрофизических и СВЧ свойств таких цепочек были изготовлены структуры из Й-х и 14-ти переходов типа и МЬ-&1-МЬ в шунтиро-

ванных внешним резистором. Резистором служила пленка серебра» Для улучшения адгезии серебра к изолирующему слою А1г „ напыленного на подложку из кремния, необходим промежуточный слой хрома, толщиной > 40 нм (при меньших толдинах хромовая пленка

имеет разрывы). Удельное сопротивление пленки серебра составляло 0,1 Ом. Аморфный кремний напылялся методом ВЧ-катодного распыления толщиной 50 + 60 51 для получения переходов с сопротивлением ~ 1 Ом при "площади "" 60 ммА. Результаты экспериментальных исследований цепочек показали, что переходы обладают безгистерезисными ВАХ и хорошими джозефсоновскими свойствами в широком интервале температур. Большие значения характерного напряжения переходов У0 >.500 мкВ позволили полу-

чить в цепочке из 2-х переходов взаимную синхронизацию джозеф-соновских колебаний переходов до напряжений V = I мВ, что соответствует субмиллиметровому диапазону длин волн.

В результате проведенных технологических исследований стало возможным реализовать сверхпроводниковые переходы с безгистерезисной ВАХ и высокими значениями параметров. При толщине прослойки кремния 50 нм характерное напряжение Уса I мВ и удельная емкость составляет 0,013 пФ/мкм^.

В параграфе 4.3 представлены результаты изучения различных способов шунтирования СИС переходов с целью получения безгистерезисной ВАХ.

Наиболее простым является способ, когда подключение резистора к переходу осуществляется через дополнительный джозефсоно-вский переход с большим критическим током. Недостатком такого перехода является плохое шунтирование плазменных колебаний. Зашунтировать плазменные колебания можно при использовании шунтирования перехода посредством распределенной Я£ цепочки. Распределенной КС цепочке в действительности соответствует СМН- переход достаточно большой площади. В данной работе СйН формировался при напылении пленки алюминия на резистор из молибдена и дальнейшем ее окислении.

Третий способ шунтирования заключался в создании сверхпроводящей закоротки в тех местах, где раньше формировался переход с большим криттоком для присоединения шунта. Этот способ шунтирования является оптимальным, т.к. в этом случае вообще исключается из схемы дополнительная емкость, связанная с СИН или СИС переходом. Это позволяет лучше зашунтировать плазменные колебания.

Квантовые интерферометры постоянного тока, изготовленные на основе шунтированных СиС перехощов, рассматриваются в

- 1г -

§ 4.4. Применение туннельных переходов на основе тугоплавких материалов дает возможность создавать интегральные ПТ-сквиды, обладающие низким уровнем шумов, высокой стабильностью при термоцлклмровании и большой долговечностью.

Удачной конструкцией является интегральный ПТ-сквид с широким сверхпроводящим берегом,, причем, контур сквида и катушки связи сформированы на разных подложках и прижаты друг к другу через изолятор толщиной порядка нескольких микрон. Наилучшее разрешение по магнитному потоку в контуре измерительного сквида 1,8-10"^ Фо/Гц реализовано при R® « 10 Ом. Это соответствует разрешении по входной энергии 3- КР^ Д^/Гц при входной индуктивности 0,7 мкГ.

В параграфе 4.5 подробно описаны технологические методы и особенности создания сложных многослойных структур для цифровых одноквант-свых устройств. Использование явления сверхпроводимости при разработке цифровых устройств обработки информации позволяет надеяться на занетноз повышение быстродействия таких систем. Это обусловлено не только очень короткими временами переключения из сверхпроводящего состояния в нормальное, но и малым энерговццеленкем з сверхпроводниковнх элементах. Последнее обстоятельство позволяет значительно повысить степень интеграции элементов по сравнению с полупроводниковой технологией и тем сашии избенать дополнительных потерь э быстродействии из-за конечной скорости распространения электромагнитных сигналов в меналементных соединении':.

Кратко формулируется суть прздлоиеико": лодавно новой кон -цапции построения цифровых устройств, з которой информации передается в воде коротких одноквантовых импульсов. В качество элементов таких схем ыогут использоваться СИС перэходы с без-гистерезисной ВАХ. Для использования в сложных цпфоовых cxeuoz: .с высокий уровнем интеграции сверхпроводинковые пераходц долг,-ны обладать хорошей механической стабильность», устойчивое';-?-:") к .многократным термоциклировгнням, а технология изготовления таких переходов долина обеспечивать хороиуа воспроизводимое?-"» м ;лалий разброс параметров элементов по подложке. Технологи,i изготовления переходов N!>-!klQK-Nt> представляется и настоя.".зи время наиболее отработанной и подходацзй для созп,аз;:-;л схотзпг: ЦИфрОЗУХ Сверхпрогоднюювих КИКРОСХвП. Для ОЛНОКВаИТОРИХ ЛОГ1" *

- J.M

ческих устройств необходимо обеспечить безгистерезмсную ВАХ; этого можно добиться путем шунтирования емкости перехода внешним резистором.

Для экспериментальной проверки новой концепции построения цифровых устройств была разработана м реализована тестовая резистивно-однркваитовая логическая структура, включающая логический элемент. ИМЛИ-Н£" „ В параграфе подробно описана технология изготовления. Была продемонстрирована правильная работа тестовой схемы на тактовых частотах 30-8-50 ГГц. Но диапазон изменения токов питания, в котором можно реализовать правильную работу схемы от 0 до 30 ГГц„ очень мал и составляет ~ 5 %. &га величина ограничивает применение таких структур в сложных многоэлементных устройствах. Для перодоления этой проблемы были предложены быстрые одноквантовые логические структуры (БОК). В таких схемах соединение элементов осуществляется не через резисторы (как в РОК)„ а с помощью сверхпроводяодах индуктивных связей. Шунтирование СИС переходов в таких схемах (Т - триггер и одноквантовый двоичный счетчик) осуществлялось с помощью сверхпроводящей закоротки. В таких схемах удалось получить диапазон рабочих частот делителя от 0 до 145 ГГц при достаточно больших допусках на токи питания (+ 30 %). Таким образом, была разработана технология изготовления и изготовлены саерхпроводящие микросхемы;, состоящие целиком из тугоплавких материалов. Изготовленные микросхемы содержали от II до 14 слоев и более 100 элементов с минимальным размером 5 мкм .и разбросом параметров не более 10 %.

* В-конце главы обсуждаются полученные результаты и делаются выводы.

Основные выводы

I. Изучено влияние методов и рекимов напыления, а также материала подложки на структуру пленок ниобия. Определены условия получения пленок ниобия с высокой степенью ориентации, а яакзв с размерами и формой крис?аадя--,оз, необходимыми для

• •.••делая но. основе этих пленок сысг-.с.;; ;ишах СИС перехо-

". ¡'госздено иссладоБсше {.¿изсизди-.щ ъеличины внутренних

: илс;г:г:-; ;;-;о6пл от ■то с пгшшенля. Найдены ре-

«ими получения пленок ниобия с минимальными внутренними напряжениями, что позволило получать высококачественные сверхпроводниковые переходы с величиной характерного напряжения '/т более ЬО мВ и малым размытием щели ~ 50 мкВ и 50.

3. Исследованы зависимости всех основных электрофизических параметров переходов ИЬ-ЛЮц-ЫЬ , изготовленных в едином вакуумном цикле с применением плазмо-химического травления и анодирования, от режимов изготовления, в том числе, от толщины искусственного барьерного слоя алюминия и условий его окисления. В результате разработаны и изготоаяены СИС структуры, на основе которых созданы СВД приемники диапазона 36 и 72 ГГц с шумовой температурой менее 50 К.

4. Предложена конструкция, разработана технология и изготовлены джозефсоновские распределенные переходы с неодно-родностями, представляющими собой области подавления даозеф-соновского туннелироваяия. Это позволило экспериментально обнаружить статические связанные состояния флаксонов и коллективный резонансный эффект излучения плазменных волн цепочкой флаксонов при ее движении в данном переходе с неоднородности .

Ь. Разработана технология к изготовлены сложные многоэлементные структуры на основе переходов 3-5гл-В с полупроводниковой прослойкой из аморфного кремния, способные работать в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Проведена оптимизация реашов изготовления _с целью получения структур с заданными свойствами. В таких структурах исследованы зависимости от напряжения и температуры диапазона взаимной синхронизации дкозефййновских колебаний.

6. Предложена и разработала технология изготовления стабильных и надежных переходов Ы&'АЮ^-ЭДЬ , не требующая плазмохимического травления и анодирования, поэволявщая создавать многоэлементные структуры со сложной конфигурацией электродов для цифровых схем и квантовых интерферометров.

7. Изучены способы шунтирования для под-учения элементов с безгистерезисной ВЛХ, предназначенных для использования в цифровых устройствах и квантовых интерферометрах. На основе таких шунтированных переходоз были созданы квантовые интерферометры с энергетическим разрешением 2*10"^ Дк/Гц/

8. Разработана и оптимизирована технология изготовления сверхпроводниковых многоэлементных и многослойных структур, содержащих до 100 элементов с числом слоев до 14, с разбросом параметров менее 10 %. На основе данной технологии был изготовлен ряд цифровых' одноквантовых структур, в частности, ре-зистивная одно,квантовая логическая структура.

Список цитируемой литературы

1. Josephson D.D. Possible Eew Effects in Superconductive Tunneling// Phys«Lett„1962. V. 1, II 7. P. 251-253.

2. Hayakawa H. Josephson Technology and circuita // NATO ASI series, v. F59 superconducting electronics. 1939.

3. Kuroda K.and Yuda M. Niobium-stress influence on Hb/Al-Oxidd/Ub Josephson Junctions // IEEB Trans. Uagn. 1989. V. 25. P. 1131-1134.

4. Iiaamura Т., Hoko H., Hasuo S. Characterization of Nb/A10x/ Hb junction structures by anodization spectroscopy // IEEE Trans.Magn. 1989. V.25, B. 1131-1134.

5. Paterno G., Cucolo A.M., Modestimo G. // J. Appl. Phys. 1985. V. 57. P. 1680-1685.

6. Madeline J.H. Specific capacitance of Josephson tunnel junctions // IEBE Trans, on Magn. 1981. V. MAG-17.

J. 286-290.

7. Stern J.A., Hant B.D., LeEuc H.G. et al. MbN/MgO/Nbt) SIS tunnel junctions for eub mm wave miners // IEEE Irans.Magn. 1989. V. 25. P. 1054-1060.

8. Richards P.L., Shen Т.М.» Harris R.E., Lloyd F.L.// Appl. Phys. Lett. 1979. V. 34, N.5,P. -345-351.

9. Dollan C.J., Phillips T.G., ,<oody D.P. // Appl. Phys. Lett. 1979. V. 34, N 5« P. 347-352.

10. Peldman i/i.J. Quantum Detection at Millimeter Wavelengths// Rev. of Liod. Phys. 1985. V. 4.'P. 1055-1113.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Еелицкий В.Ю., Выставкин А.Н , Koj-елец В.II., Овсянников Г.А.,

Серпученко ИЛ.» Шитов С.В. СИС переходи из тугоплавких материалов для смесителей мм волн Ц Труды 16-го Международного симпозиума по низкотемпературной физике и крио-злектронике. 1'ДР» 1984. С. 18-33.

Z. Кошелец В.11., Овсянников i'.A., Серпученко ИЛ.5 Шитов С,В, Преобразование частоты на цепочках QIC переходов // Тезисы конференции молодых ученых по актуальным вопросам физики. Креван, 1985. С. 6-7.

3. Серпученко ИЛ., Шитов С.В. Преобразование частоты на квадратичной нелинейности туннельных переходов №>-АiQ^Hb// .Письма ""''Ф. 1985. Т. II» вып. 5. С. 290-295.

4. Выставки» А.п., "-ицелец В.П., Овсянников Г.А.» Серпученко ПЛ., Шитов С.В. Пре^-^човаше частоты на туннельных переходах Nb-AtОл-Nb // Гези-:' докладов Всесоюзной коферен-ции "Радиоастрономическая аппаратура". 1^реванр 1985. С. 186188.

о. ГуОалков В.Н., Ковтонюк С.А., Кошелец В.II., Серпученко ИЛ. Применение полупроводниковых барьеров в сверхяроводниковых тонкопленочных контактах // Тезисы конференции молодых ученых по актуальным вопросе« физики. Ереван, 1985. С. 2-3.

5. Аматуни Л.Э., Кошелец В.И., Овсянников F.A., Серпученко И.Л. Цепочки джозефсоновских переходов типа сандвич,// 1Ш. 1986. Т. Ь6, вып. 7. С. 1363-1371.

7. Кошелец В.П., Матлашов А.Н.» Серпученко И.Л.е Зжшплеизо Л.В., Журавлев Ю.а. Интегральный ПТ-сквид с предуснлитвлеи на основе ИТ-сквида // ЖТФ. 1986. Т. 60. С. 126-120.

У. Жарников М.В., Горобченко В.Д., Серпученко И Л. Влияние поляризации электронов ионных остовов на плазменные возбуждения в переходных металлах // ЖЭТФ. 1987. Т. 92, & I. С. 267268.

9. Belitsky V.Yu., Gubankov V.H., Kooholets V.P., Ovsyannitcov G.A., Serpucbenko 1.1., ShitovS.V., Tanasov M.A.0 Vyatav-kin A.H. Refractory material SIS junction structures of a rosiative 3ingle logic circuit // IEEE Ггапз» Magn» 1987. V. kAG-23. P. 684-687.

10. Koshelete V.P., Likliarev K.K., Uigulin V.V., Mukhanov O.A., OvDj-aimikov G.A., Semenov V.K., Sarpuchenko.I.l. and Vysfcav-kin A.N. Experimental realization of a resistive 'single

flux quantum logic circuit // IEEE Trans. Magn, 1987, V. KiAd-^3. P. 755-758.

11, Koulialeta V.P., KovtonyuK S.A., Oveyarmikov G.A., Serpu-chonko 1.1., Shitov S.V., Vystavkin A.II. Refractory Material Supercouduc tiu<i ¿tructuros for mm Wave fiaceivors // iixtendad Abstracts of I3&C-87. August 28-29, 1937. P. 111-113.

12. Выставки» A.H., Кошелец В. 11., Лихарев K.H., Мигулин В.В., Муханоь О.В., Овсянн/.ко.ч Г. А., Семенов В.К., Сернученко И.Л. Экепериментальи-и ъ -ализация рез.истивно-одноквантоаой интегральной логической с;руктуры // Письма в ИТФ. 198?, Т. 13. С, 206-290.

. 13. Kaplimonko V.P., Koaheleto V.P., Likhurev К.К., Miguli.ii V.V., biukhanov О.A., Ovuyannikov G.A., Seinenov V.K., puchajjko I.L., Vyotavkin A.M. Experimental study of the RSPQ ligic circuits // Extended Abstracts of ISBC-87, 1967. P. 127-130.

14. Сернученко И.Л., Устинов А.В. Экспериментальное наблюдение тонкой структуры на ВАХ длинных джозефсоновских переходов с решеткой неоднородностей//Письма в ЖЭТФ. 1987.

Т. 46, вып. 11. С. 435-437,

15. Выставки« А.П., Драчевский Ю.Ф., Кошелец В.П., Сернученко И.Л. Обнаружение статических связанных состояний флук-сонов в распределенных джозефсоновских переходах с неод-нородностями//ФНТ. 1988. Т. 14, вып. 6. С. 646-649.

16. Моломед В.А., Сернученко И.Л., Трибельский М.И., Устинов А.В. Резонансное излучение цепочки джозефсоновских вихрей на решетке неоднородносгей// Письма в ЙЭК». 1Э88. Т. 47, вып. 10. С. 505-507.

17. 1'олубов А.А., Сернученко И.'Jl., Устинов А.В. Динамика джо~ зефсоновского вихря в длинном переходе с неодниродностями: теория и эксперимент J J ЖЭТФ. 1968. Т. 94, вып. 6. С. 297311.

18. ¡Srmakov An.B., Koaheleto V.P., Surpucuenko I.L., Shitov S.V., Fj lippenko 1,./., Vyctavkin A.N. SNAP structures with Nb-AlOx-Kb Junctions ior mm wave receivers // 1ЬЬй Trans, on llBga. 1969. V. L;AG-25, Uo 2. P. 1060-1063.

19. £aplunenko V.K., Khabipov M.I., Kosheleta V.P., Likharev K.K., Mukhanov O.A., Semenov V.R., Serpuchenko I.L., Vy-stavkin A.N. Experimental study of the ESFQ Logic Element s//IEKfc Trans.on Magn.1989. V. MAG-25, No 2.P.86I-864.

20. Koshelets V.P., Matlashov A.N., Serpuchenko I.L., Filip-penko L.V., Zhuravlev Tu.E. DC-SQVID Preamplifier for DC-SQVID Magnetometer // IiäEK Trane, on Magn. 1989. V. MAG-25, No 2. P. II82-II85.

21. Аматуни Л.Э., Кошелец В.П., Овсянников Г.А., Серпученко И.Л. Синхронные многоэлементные дкозефсоновские структуры // РиЭ. 1989. Т. 33. С. 662-664.

22. Белицкий В.В., Выставкин А.Н., Серпученко И.Л., Тарасов М.А. Насыщение и шумы квантового СВЧ детектора на сверхпроводниковых туннельных переходах // Письма в ЖТФ.

Т. 14. Вып. 7. 1988. С. 620-625.

23. Belitsky V.Yu., I.L. Serpuchenko, Tarasov M.A., Vystavkin A.N.. MM Detection Using Integrated Structure with SIS Junction, Stripline Transformer and Spiral Antenne // Extended Abstracts of ISEC-89.-Tokyo, Japan, 1989. P. 179-182.

24. Белицкий В.Ю., Выставкин A.H., Серпученко И.Л., Тарасов U.A. Преобразование на гармониках частоты гетеродина в смесителе на СИС переходах // РиЭ, Т. 35. F? I, 1990.

П. 191—121.

25. b'rmakov An.В., Kosheleta V.P., ¿ovtonyufc S.A., Serpuchenko I.L., Shitov S.V., Vyatavkin A..H. Investigation of the Nb-AlO^-Nb Junctons and Ш Wave Mixers // Kxtended Abstracts of ISiiC-89. Tokyo, Japan, 1989- P. 294-297.

26. Koshelets V.P., Kovtonyuk S.A., Serpuchenko I.L., Pilip-penko L.V., Shcukin A.V. High Quality ilb-AlO^-Mb Tunnel Junctions for microwave and SFQ Logic Devices // IE'EB

Tiana. on Magn. 1991. V. UAG-27, No 2. P. 3I4I-JI44.