СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2002 года по МПК H01L39/16 H01L39/18 

Изобретение относится к области криоэлектроники, в частности к области создания тонкопленочных криогенных устройств на сверхпроводниках.

Известен переключающий элемент, содержащий диэлектрическую подложку, экранирующую сверхпроводящую пленку (СП), диэлектрический слой, нижний СП электрод, диэлектрический слой туннельной толщины, верхний СП электрод, защитный диэлектрический слой и управляющий электрод [1].

Недостатками данного переключающего элемента являются низкая эффективность управления (коэффициент усиления по току меньше 6), низкая стабильность вследствие деградации туннельных слоев в процессе хранения.

Близким техническим решением является конструкция переключающего элемента на основе продольного пленочного криотрона, работающего на принципе фазового перехода в сверхпроводнике [2]. Криотроны реализуются на базе пленок сверхпроводников первого рода, которые имеют небольшие значения критического магнитного поля (~ 1000 Гс), например олово, алюминий, свинец, индий и др. При этом под влиянием магнитного поля управляющей пленки нарушается сверхпроводящее состояние вентильной пленки, которая переходит в нормальное состояние и на ней восстанавливается электросопротивление.

Недостатками этого переключающего элемента являются большие значения магнитных полей управляющих пленок (порядок критического), низкая эффективность (коэффициент усиления по току ниже 5), низкие критические температуры (Т_C≤7 К) и низкие рабочие температуры, и самое главное, невозможность использования для их создания самого большого класса сверхпроводников - сверхпроводников второго рода. Это исключение связано с очень высокими значениями критических магнитных полей (≥10⁴ Гс), и этим вызвана непреодолимая преграда по использованию пленок сверхпроводников второго рода в криотронах, работающих на механизме фазового перехода (на полное нарушение сверхпроводимости) вентильной пленки под влиянием магнитного поля управляющей пленки. С другой стороны, пленки сверхпроводников второго рода, также как сами сверхпроводники второго рода, имеют неоспоримые преимущества перед пленками сверхпроводников первого рода: широкий интервал рабочих и критических температур - (9÷130)К, высокие плотности критических токов (10⁷÷10⁸ А/см²), высокие критические магнитные поля, возможности резистивного состояния как на фазовом переходе, так и при движении магнитных вихрей Абрикосова.

Наиболее близким техническим решением является конструкция переключающего элемента, т.е. так называемого сверхпроводящего переключателя тока, содержащего ключевой элемент, источник переключающего магнитного поля, действующего на материал ключевого элемента, при этом ключевой элемент выполнен из поликристаллической сверхпроводящей керамики, образованной анизотропными монокристаллами с параллельной действующему магнитному полю преимущественной ориентацией их кристаллографических направлений, вдоль которых напряженность критического магнитного поля имеет минимальное значение [3].

Недостатками данного переключающего элемента являются низкая эффективность управления - коэффициент усиления по току порядка 3, сложность приготовления ключевого элемента, большие массо-габариты и невозможность их исполнения в пленочной форме. Этот параметр для переключательного элемента, используемый в сверхпроводниковой микроэлектронике, является решающим.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности управления переключающего элемента и расширение класса используемых материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном переключающем элементе, содержащем диэлектрическую подложку, сверхпроводящую вентильную пленку, изолирующий слой, управляющую сверхпроводящую пленку, работающем на фазовом переходе, все сверхпроводящие пленки (СП) формируются из пленок сверхпроводников второго рода. Регулируя магнитный барьер на границе сверхпроводящей вентильной пленки, создается контролируемое продвижение магнитных вихрей Абрикосова внутрь пленки, индуцируя в ней напряжение.

Переключающий элемент работает на другом физическом механизме - изменение граничного магнитного барьера под влиянием внешнего магнитного поля.

Этот механизм заключается в том, что на границах поверхности края во внешнем магнитном поле или при транспортном токе в пленке образуются и накапливаются магнитные вихри Абрикосова, которые под влиянием магнитного барьера Бина-Ливингстона притягиваются к границам пленки. При определенном значении внешнего магнитного поля Н≥H_S, где H_S - магнитное поле подавления граничного магнитного барьера. Указанный барьер подавляется и магнитные вихри резким образом переходят внутрь пленки. При этом магнитные вихри проходят с одной границы (например, с одного края) через пленку до второй границы (например, до второго края), где они аннигилируются. Это относится к однополярным магнитным вихрям, а в случае противополярных магнитных вихрей (например, магнитные вихри, созданные транспортным током) они заходят с обеих границ внутрь пленки, двигаются к середине пленки, где и аннигилируются.

Любое движение магнитных вихрей индуцирует напряжение на пленке, что легко контролируется. Такой характер резистивности не связан с нарушением сверхпроводящего состояния пленки, т.е. с фазовым переходом, и величина индуцированного напряжения в основном определяется скоростью движения магнитных вихрей.

Рассмотренный механизм входа и выхода магнитных вихрей через границы сверхпроводника в практических образцах трудно реализуется. Некоторые факторы, сильно влияющие на граничный магнитный барьер и движение магнитных вихрей, являются на поверхностях, на краях в реальной пленке всегда существуют различные нарушения, выступы, впадины, царапины и другие, которые сильно понижают граничный магнитный барьер, поэтому рассмотренный эффект не происходит. Различные нарушения, неоднородности и дефекты становятся эффективными центрами задержания магнитных вихрей внутри реальной пленки, что не позволяет магнитным вихрям, оказавшимся внутри пленки, свободно продвинуться от одной границы до другой, несмотря на то, что они уже преодолели граничный магнитный барьер.

Для переключающего элемента основной характеристикой является зависимость критического тока I_C вентильной пленки от тока I_H управляющей пленки. Поскольку управляющая пленка создает магнитное поле H_I, пропорциональное ее току I_H, зависимость I_C(I_H) является зависимостью I_C(H_I). Очевидно, чем больше наклон α = (dI_C/dH_I) кривой I_C(H_I), где α - наклон зависимости I_C(H_I), тем эффективней является переключение. Для переключающего элемента на пленках сверхпроводников первого рода, то есть основанного на фазовом переходе, α имеет порядок: α~I_C/H_C, где Н_C - критическое поле пленки. Для переключающего элемента на базе джозефсоновского туннельного перехода α~I_C/(φ₀/S), где I_C - критический туннельный ток, S - площадь туннельного перехода, φ₀ - квант магнитного потока, для пленки сверхпроводника второго рода с большим количеством дефектов в объеме - α~I_C/H_C2, где Н_C2 - верхнее критическое магнитное поле для пленки сверхпроводника второго рода с граничным магнитным барьером - α~(I_C/H_S), где H_S - граничный магнитный барьер для входа магнитных вихрей в пленку. Для пленок первого рода, а также пленок второго рода как с объемным пиннингом, так и граничным магнитным барьером, максимальные значения I_C имеют одинаковые порядки, а для джозефсоновского перехода относительно них I_C на 3-4 порядка ниже. Величины Н_C, Н_C2 и H_S имеют порядки соответственно ~ 10³ Э, ≥ 10⁴ Э, ≤ 10² Э (для случая краевого магнитного барьера).

Сравнения приведенных данных показывают, что в пленках сверхпроводников второго рода с краевым магнитным барьером величины α могут быть во много раз больше, чем в пленках сверхпроводников первого рода и сверхпроводников второго рода при одинаковых значениях их I_C. Более высокий наклон I_C от Н получается в джозефсоновских переходах, однако в них α не превосходит ~ 100 мА/Э, что имеет такой же порядок, который экспериментально измерялся (70÷90 мА/Э) в пленках сверхпроводников второго рода с краевым магнитным барьером.

Таким образом, из известных механизмов резистивности в переключающих элементах более эффективными являются механизм краевого магнитного барьера в пленках сверхпроводников второго рода и механизм джозефсоновского туннелирования. Однако в последнем случае требуется преодолеть большие технологические и технические трудности, и они становятся гораздо более сложными на пути создания практических джозефсоновских переходов на базе пленок высокотемпературного сверхпроводника, поскольку они имеют очень маленькие значения длины когерентности ξ<(1 20) нм, а джозефсоновский переход должен иметь порядок ξ. Реализация механизма краевого магнитного барьера в практических пленках сверхпроводников второго рода тоже требует решения некоторых задач, однако сложностей может быть гораздо меньше, чем в процессе приготовления качественных джозефсоновских переходов.

Для практической реализации механизма краевого магнитного барьера сверхпроводящая пленка должна быть совершенной, монокристаллической, с наименьшими нарушениями структуры и однородности ее толщины. При этом достигается минимальное число центров пиннинга (дефектов) в объеме пленки. С другой стороны, СП должны иметь однородные края или их нарушения должны быть незначительны. Для среднего размера неоднородностей краев δw должно быть соблюдено условие δw≪λ_эф или в лучшем случае δw≤ξ, где λ_эф = (2λ²/d), λ - глубина проникновения магнитного поля, d - толщина пленки. При выполнении условия:
f_B >> f_V (1)
где f_B - сила, действующая на единицу длины магнитного вихря, вызванная существованием краевого магнитного барьера, f_V - сила, действующая на единицу длины магнитных вихрей, вызванная дефектом (центром пиннинга), находящимся в объеме пленки. Величина f_B ~ w^-(0,5-1), а f_V не зависит от ширины w пленки, поэтому условие (1) соблюдается для более узких пленок (w≤300 мкм).

На фиг.1 представлена конструкция переключающего элемента, где 1 - диэлектрическая подложка, 2 - вентильная сверхпроводящая пленка, 3 - изолирующий слой, 4 - управляющая сверхпроводящая пленка. На фиг.2 приведены ориентировочные формы зависимостей критического тока I_C от внешнего перпендикулярного магнитного поля Н для пленок с различными механизмами критического тока, где 1 - I_C(Н) для пленок сверхпроводника второго рода с объемным пиннингом; 2 - I_C(H) для пленок сверхпроводника первого рода с фазовым переходом; 3 - I_C(H) для пленок сверхпроводника второго рода, с краевым магнитным барьером при обеих полярностях внешнего перпендикулярного магнитного поля.

Предлагаемый переключающий элемент работает следующим образом. В вентильную пленку пропускается ток величиной чуть-чуть меньше критического таким образом, чтобы пленка находилась еще в сверхпроводящем состоянии. В вентильной пленке 2 реализуется краевой магнитный барьер. В управляющей пленке 4 пропускается транспортный ток I_H, который своим магнитным полем H_I переключает вентильную пленку 2 из сверхпроводящего в резистивное состояние, на ней появляется сопротивление и резко уменьшается критический ток. При этом критический ток управляющей пленки может быть любой (возможно много раз меньше, чем I_C пленки 2) и неважно, каким механизмом он обусловлен - краевым магнитным барьером или объемным пиннингом.

На примере рассмотрим характеристики и принцип работы предлагаемого переключающего элемента.

На сапфировой диэлектрической подложке 1 образуется гетероэпитаксиальная, монокристаллическая ниобиевая сверхпроводящая пленка толщиной ~ 50÷80 нм. На ее поверхности создается изолирующий слой путем напыления SiO₂ или окислением поверхности пленки до образования высших окислов ниобия. Изолирующий слой 3 делается толщиной ~ 20÷30 нм и выбирается с таким расчетом, чтобы между вентильной 2 и управляющей 4 пленками отсутствовала гальваническая связь, а магнитная связь была наилучшая. На изолирующий слой 3 напыляется ниобиевая сверхпроводящая пленка любым методом, обеспечивающим его максимальный критический ток толщиной ~ 80÷100 нм. Методом фотолитографии создаются полоски формой, похожей на приведенную на фиг.1, и шириной w≤50 мкм. В процессе изготовления переключающего элемента особое внимание уделяется неоднородности и нарушениям краев вентильной сверхпроводящей пленки, чтобы, если таковые образуются, их размеры были наименьшими. Как обычно, методом фотолитографии получается средний размер неоднородностей края δw≤0,002 мкм при длине элемента ~ 500 мкм. Приготовленный переключающий элемент имеет параметры: критические токи сверхпроводящих пленок - ~ 700÷800 мА, ширина ~ 50 мкм, длина ~ 500 мкм, толщина ~ 500 нм, H_S⊥~40 Э. Магнитное поле H_I, созданное управляющей пленкой 4, берется приблизительно в области H_I≤H_S⊥/2. В этом интервале магнитного поля наблюдается наибольший наклон α кривой I_C(H_I). Ток I_H управляющей пленки, создающий магнитное поле H_I, перпендикулярное поверхностям сверхпроводящих пленок, имеет порядок I_H ~ 5÷10 мА. При этом учитывается, что магнитная связь между сверхпроводящими пленками хорошая, что достигается тонким слоем изолирующей пленки толщиной ~ 0,06 мкм.

Таким образом, рассмотренный переключающий элемент имеет усиление по току β = (I_C/I_H)≥10², что значительно превосходит значения β, достигаемые в других известных переключающих элементах (в криотронах на фазовом переходе β≤4, на джозефсоновском переходе β≤6). Расчеты показывают, что величина β может принимать значения 10²÷10³, но в реальных переключающих элементах величина β в несколько раз занижена, поскольку существующие центры пиннинга в практических сверхпроводниках полностью подчиняться механизму краевого магнитного барьера. С повышением совершенства сверхпроводящих пленок, т.е. с уменьшением количества дефектов, условия краевого магнитного барьера улучшаются, и коэффициент усиления β растет.

Следует отметить, что всегда β≫1 и I_C>>I_H, для управляющей пленки критический ток ≥ I_H, поэтому он гораздо (приблизительно в β раз) меньше, чем I_C вентильной пленки. Следовательно, в процессе приготовления переключающего элемента особое внимание уделяется вентильной пленке для получения ее с высоким I_C и с механизмом краевого магнитного барьера. А управляющая пленка создается любым методом с нужным значением критического тока и его механизму не отдается предпочтение (механизмы - краевой магнитный барьер, объемный пиннинг).

Время переключения предложенного переключающего элемента имеет порядок τ ~ (w/v_B), где w - ширина пленки, v_B - скорость движения магнитных вихрей в вентильной пленке. Для рассмотренного примера - w ~ 5•10^-5 м, v ~ 10³ м/с, τ~5•10^-8c. С уменьшением w немножко уменьшается β, однако увеличивается быстродействие, т.е. τ<10^-9 с. Этому способствует также повышение совершенства сверхпроводящей вентильной пленки, поскольку увеличивается v_B.

В различных устройствах требуется переключающий элемент с характеристиками I_C(I_H), имеющий выпуклый, близкий к прямоугольнику вид. Переключающий элемент с такими характеристиками можно применять в запоминающих элементах, в логических элементах и т.д.

Предлагаемое изобретение можно использовать и в этих же целях, если его кривой I_C(Н) придать форму прямоугольника. Для этого в пленках наряду с краевым магнитным барьером и небольшим объемным пиннингом реализуется поверхностный магнитный барьер. На практике в пленках сверхпроводников второго рода это достигается автоматически, если на ее поверхностях не имеются нарушения - царапины, впадины, бугорки и т.д. или если таковые имеют их средний размер δ(a,b)≤ξ (где а и b - средние размеры нарушения по параллели (а) и по перпендикуляру (b) относительно плоскости пленки). Этот эффект можно использовать для регулирования поверхностного магнитного барьера и, соответственно, H_S∥. Очевидно, что под влиянием поверхностного магнитного барьера магнитные вихри магнитного поля транспортного тока сверхпроводника закрепляются параллельно ее плоскости аналогично тому, как это происходит для перпендикулярных магнитных вихрей на краях сверхпроводника в случае краевого магнитного барьера.

Механизмом закрепления магнитных вихрей определяется критический ток сверхпроводящей пленки. При краевом магнитном барьере с величиной H_S⊥ критический ток будет I_C⊥, а при поверхностном магнитном барьере с величиной H_S∥ критический ток будет I_C∥. Величины H_S⊥ и H_S∥ соответствуют краевым и поверхностным магнитным барьерам сверхпроводника, которые быстро уменьшаются под влиянием внешнего магнитного поля H соответствующих направлений, т.е. H_S⊥ - перпендикулярное магнитное поле H_⊥ и H_S∥ - параллельное магнитное поле H_∥. Изменения I_C⊥ и I_C∥ от H_⊥ и H_∥ происходят аналогично изменению H_S⊥ и H_S∥ от H_⊥ и H_∥. Если в сверхпроводниках существуют одновременно оба механизма граничных магнитных барьеров, тогда критический ток пленки будет наименьшим из них. Поскольку H_S∥(~10⁴Э)≫H_S⊥(~10²Э), то I_C∥>I_C⊥. Эти условия соблюдаются при отсутствии внешнего магнитного поля - H = H_⊥ = H_∥ = 0. При H_┴≠0 и H_∥ = 0 критический ток I_C⊥ уменьшается, а I_C∥ остается неизменным, поэтому всегда I_C⊥≪I_C∥ и критический ток сверхпроводника будет I_C⊥. Его поведение I_C⊥≪I_C∥ рассмотрено на фиг.2. Кривая 3 имеет наклон I_C/H_S⊥. В другом случае, когда H_S∥ понижен таким образом, что имеет место I_C∥≪I_C⊥, критический ток сверхпроводника будет I_C∥. В магнитном поле H_⊥ зависимость I_C∥(H_⊥) не будет меняться и будет иметь наклон α ≅ 0, поскольку H_∥ = 0. Критический ток пленки определяется величиной I_C∥, пока выполняется условие I_C∥<I_C⊥. С ростом H_⊥ величина I_C⊥ уменьшается и предыдущее условие заменяется условием I_C∥>I_C⊥, поэтому критический ток сверхпроводника будет I_C⊥ и, соответственно, кривая I_C⊥(H_⊥) будет иметь наклон α~I_C⊥/H_S⊥.
Рассмотренный случай показан на фиг.3. Здесь приведенная кривая I_C(I_H) описывает зависимость критического тока вентильной пленки от тока управляющей пленки, когда поверхностный магнитный барьер заранее предварительно понижен. Практически прямоугольная зависимость величины I_C вентильной пленки от внешнего перпендикулярного магнитного поля Н по форме совпадает с зависимостью I_C вентильной пленки от тока I_H управляющей пленки. Таким образом, цель - получение зависимости I_C(I_H) по форме, близкой к прямоугольнику, достигается в пленках сверхпроводника второго рода, когда в вентильной пленке реализуется механизм краевого магнитного барьера для магнитных вихрей Абрикосова и одновременно уменьшен аналогичный поверхностный магнитный барьер соответствующим образом.

Рассмотрим пример. Приготовлена гетероэпитаксиальная, монокристаллическая вентильная пленка ниобия с необходимыми данными - средний размер неоднородностей краев < 0,002 мкм, пренебрежимо значение объемного пиннинга, выполнено условие реализации механизма краевого магнитного барьера. В дальнейшем проводятся процессы для регулирования поверхностного магнитного барьера этой пленки, например, путем образования бугорков и впадин на ее поверхности. Для этой цели поверхность пленки подвергается бомбардировке ионами O₂, Кr, Аr или других газов с интенсивностью < 10¹⁵ ион/см² и энергией не более 30 кэВ. Можно использовать сканирующий туннельный микроскоп для получения царапин на поверхности пленки ниобия, что предпочтительно для контроля. На поверхности царапины с размерами: ширина - (0,1-0,2) мкм, глубина - (0,005-0,01) мкм, с концентрацией - (0,1-0,01) царапин на (мкм)² существенно снижают поверхностный магнитный барьер. Очевидно, что важным также является получение на поверхности пленки бугорков, впадин, царапин и т. д. нужных размеров в целях уменьшения поверхностного магнитного барьера, а способ достижения этого не является главным. После получения поверхности вентильной пленки ниобия с желаемыми характеристиками на нее напыляется окись изолирующего материала и продолжается образование следующего сверхпроводящего управляющего слоя из ниобия.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом имеет ряд преимуществ:
- высокая эффективность управления: коэффициент усиления более 100, в прототипе - 4;
- резистивность, обусловленная движением магнитных вихрей Абрикосова, позволяет регулировать их скорость и время переключения переключающего элемента, т.е. возможность сделать переключающий элемент более быстродействующим, чем в прототипе, работающим на фазовом переходе;
- простое решение получения прямоугольной характеристики переключающего элемента, в прототипе - сложное схемотехническое решение (дополнительные шины управления) того же вопроса увеличивает занимаемую площадь переключающего элемента.

Предлагаемое изобретение позволяет создать на базе пленок сверхпроводников второго рода сверхпроводящие переключающие элементы с высокой эффективностью управления (большой коэффициент усиления по току, прямоугольная, выпуклая характеристика зависимости критического тока вентильной пленки от тока управляющей пленки).

Источники информации
1. Кандыба П.Е., Куприянов М.Ю., Лапир Г.М., Лихарев К.К., Семенов В.К. Пленочный криотрон. - А. с. 740090, H01L 39/22.

2. Уильямс Дж. Сверхпроводимость и ее применение в технике. - М.: Наука, 1973, с.231-234.

3. Волков А. Ю. Сверхпроводящий переключатель тока. Авт. свид., SU 1759203 от 30.12.89.

Изобретение относится к области криоэлектроники. Сверхпроводниковый переключающий элемент согласно изобретению содержит диэлектрическую подложку, сверхпроводящую вентильную пленку, изолирующий слой, сверхпроводящую управляющую пленку. Сверхпроводящие пленки выполнены из сверхпроводника второго рода, а для среднего размера неоднородностей краев δω вентильной пленки выполняется условие δω ≪ λ_эфф, где λ_эфф - эффективная глубина проникновения магнитного поля, а для сил f_B>>f_v, где f_B - сила, действующая на единицу длины магнитного вихря, вызванная существованием краевого магнитного барьера, f_V - сила, действующая на единицу длины магнитного вихря, вызванная дефектом, находящимся в объеме пленки. В сверхпроводнике реализуется магнитный барьер Бина-Ливингстона, а возникающее в результате движение магнитных вихрей индуцирует контролируемое напряжение в пленке. Вследствие чего повышается эффективность управления переключающего элемента. 3 ил.

Сверхпроводниковый переключающий элемент, содержащий диэлектрическую подложку, сверхпроводящую вентильную пленку, изолирующий слой, сверхпроводящую управляющую пленку, при этом сверхпроводящие пленки выполнены из сверхпроводника второго рода, отличающийся тем, что для среднего размера неоднородностей краев δω вентильной пленки выполняется условие δω ≪ λ_эф, где λ_эф - эффективная глубина проникновения магнитного поля, а для сил f_B>>f_V, где f_B - сила, действующая на единицу длины магнитного вихря, вызванная существованием краевого магнитного барьера, f_V - сила, действующая на единицу длины магнитного вихря, вызванная дефектом, находящимся в объеме пленки, при этом в сверхпроводнике реализуется магнитный барьер Бина-Ливингстона, а возникающее в результате движение магнитных вихрей индуцирует контролируемое напряжение в пленке.