СПОСОБ СОЗДАНИЯ СЛАБЫХ СВЯЗЕЙ В СИСТЕМАХ НА ПЛЕНОЧНЫХ ВТСП-СКВИДАХ Российский патент 2003 года по МПК H01L39/22 H01L39/24 

Изобретение относится к способам создания слабых связей, используемым в высокочувствительных системах пленочных ВТСП-сквидов, в частности при создании высокочувствительных датчиков магнитного потока и детекторов электромагнитного поля, применяемых в устройствах для регистрации магнитокардиограмм в медицине, в геофизике, в экологии.

В настоящее время можно выделить две группы слабых связей, формирующих на межзеренных границах однослойные и многослойные структуры. К однослойным структурам относятся джозефсоновские переходы, сформированные на бикристаллической подложке, имеющие биэпитаксиальный характер межзеренной границы, ступенчато-торцевые (step-edge) переходы. К однослойным структурам относятся также микромостики. К многослойным структурам относятся переходы торцевого типа "edgejunctions", вертикальные сэндвичи, горизонтальные сэндвичи.

При формировании бикристаллических слабых связей искусственная граница образуется при эпитаксиальном выращивании пленки на бикристаллической подложке, две половинки которой имеют разориентированные кристаллические решетки (заявка JP 6080845 В4, МПК 5 H 01 L 39/24). (Proc. ASC 96. Pittsburgh. USA, Preprinnt EKC-5, to appear in IEEE Trans. Appl. Supercond. 7, 1997.) В одном устройстве слабые связи типа мостика Дайема организованы на бикристаллической подложке SrTiO₃ или NdGaO₃ с 24 и 36,8^o на границе разориентации кристаллических структур подложки, где изготовлен датчик-магнитометр или градиометр на базе пт-сквида на YBaCuO пленках толщиной d=50÷150 нм с плотностью критического тока j_с(77)=10⁶ А/см². ПТ-сквид расположен внутри приемного контура магнитометра или между расположенных в одной плоскости приемных контуров градиометра. Контур магнитометра имеет размер 5х5 мм, а контуры градиометра имеют размеры 5х10 мм. Недостатком является то, что в джозефсоновских связях типа мостика Дайема на бикристаллических подложках, как это имеет место в аналоге, эффект концентрации магнитного потока ослаблен из-за наличия границ между кристаллитами, либо микровкраплениями несверхпроводящей фазы YBaCuO и таким образом снижается чувствительность пт-сквид магнитометра. Более того, в области сужения сверхпроводящих электродов вблизи шва бикристалла не исключена возможность возникновения паразитных слабых связей с критическими токами, меньшими I_c мостиков, то есть могут появиться дополнительные контуры квантования, существенно ухудшающие работу интерферометра.

Приготовление высококачественных бикристаллических подложек - сложный и дорогостоящий процесс, поэтому бикристаллические слабые связи малоперспективны. Они могут быть использованы на практике только для реализации несложных цепей, например единичных сквидов. Это связано с тем, что локальное расположение сверхпроводниковых элементов задается линией границы в подложке.

При формировании биэпитаксиальных слабых связей идея создания биэпитаксиальной межзеренной границы состоит в использовании дополнительных затравочных и буферных слоев (СФХТ 1989, 5, т. 2, с. 97-102), выращиваемых на монокристаллической подложке в местах расположения слабых связей. Полученная на подложке граница между поли- и моноструктурой является базой для зарождения межзеренного перехода. (Japan Journal of Applied Physics. Vol 20, No 1. January 1990, p. 74-78.) Приготовление биэпитаксиальных слабых связей опирается на стандартную фотолитографию, эти связи могут быть расположены в любом месте подложки. Поэтому этот подход мог бы быть принят за базовый, но наличие межзеренных границ, как показали наши исследования, приводит к низкой устойчивости к термоциклированию, низкой плотности критического тока j_c=(10²-10³) A/см² при Т=77,6 К и самому низкому значению V_c=(0,1-1) μkV при Т=77,6 К.

При формировании ступенчато-торцевого перехода (step-edge junctions) к джозефсоновским процессам на слабой связи приводит разориентация не только вдоль а-в плоскости, но и вдоль любых других плоскостей. Для этого сначала ионным или химическим травлением на монокристаллической подложке формируется ступенька с заданным углом наклона и высотой. Затем сверху выращивается эпитаксиально пленка ВТСП. Наличие ступеньки на подложке приводит к образованию двух зеренных границ у вершины и подножья ступеньки. Эти границы определяют свойства микромостика, проходящего перпендикулярно ступеньке.

В step-edge переходах может быть достигнуто большее значение V_c по сравнению с биэпитаксиальными за счет того, что j_c можно изменять на три порядка, варьируя тремя технологическими параметрами (заявка JP 6080845 В4, МПК 5 Н 01 L 39/24):
- изменением угла наклона ступеньки;
- высотой ступеньки;
- отношением толщины пленки к высоте ступеньки.

На step-edge переходах было достигнуто значение плотности критического тока j_с=10⁵ А/см² и самое высокое значение V_c=(5-8) mV при Т=77,6 К. Лучшие характеристики на сквидах, включающие в себя step-edge переходы, получены при следующих оптимальных параметрах: высота ступеньки h=300-400 нм, угол наклона ступеньки ≥60^o, толщина пленки ВТСП равна h/2. Недостатком данного типа слабой связи является сильная зависимость j_с от перечисленных технологических факторов, что приводит к слабой воспроизводимости и контролируемости.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ создания слабых связей путем формирования мостиков из сверхтонкой монокристаллической ВТСП-пленки (патент РФ 2133525, МПК H 01 L 39/22). Результаты исследований зависимости сверхпроводящих свойств YBaCuO пленок от толщины d показывают, что после преодоления порога перколяции существует некоторый интервал значений d, при котором величина плотности критического тока J_c меняется скачком почти па два порядка. При этом на кривой J_c(d) по обе стороны от скачка наблюдаются полочки. При значениях d~10÷20 нм величина плотности критического тока составляет порядка 10³ А/см². Справа от скачка при d>25 нм величина J_c>10⁵ А/см² и при дальнейшем росте выходит на насыщение (J_c=10⁶ А/см²).

Таким образом, путем варьирования толщины пленки d можно подбирать нужные значения тока. Недостатком является то, что в джозефсоновских связях типа мостика Дайема на сверхтонких пленках, как это имеет место в прототипе, эффект концентрации магнитного потока ослаблен из-за наличия границ между кристаллитами, либо микровкраплениями несверхпроводящей фазы YBaCuO и таким образом снижается чувствительность пт-сквид магнитометра. Более того, в области сужения сверхпроводящих электродов не исключена возможность возникновения паразитных слабых связей с критическими токами, меньшими I_c мостиков. То есть могут появиться дополнительные контуры квантования, существенно ухудшающие работу интерферометра.

Задачей изобретения является разработка способа создания слабых связей в системах на пленочных ВТСП-сквидах, обеспечивающего при упрощении технологии изготовления элементов Джозефсона повышение стабильности работы указанных систем, надежность и воспроизводимость характеристик за счет отсутствия в области сужения сверхпроводящих электродов возможности возникновения паразитных слабых связей с критическими токами, меньшими I_c мостиков, и отсутствия контактов из нормального металла внутри этих контуров.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе создания слабых связей, в системах на базе пленочных ВТСП-сквидов, в сверхпроводящих пленках в области слабых связей создают термическим методом механические напряжения, не подвергающиеся релаксации в процессе эксплуатации указанных систем. При этом механические напряжения создают путем охлаждения ВТСП-пленок с контролируемой скоростью, при которой сохраняется рассогласование параметров кристаллических решеток материала подложки и пленки, а различие коэффициента температурного расширения материалов подложки и пленки сохраняет эти напряжения, влияющие на величину критического тока слабой связи. Скорость охлаждения выбирают от 1,3 до 2,1 ^oС/с и время пребывания в печи от 60 до 300 с.

Способ поясняется фиг.1, на которой приведены зависимости плотности критического J_c тока от времени t выдержки пленок в печи для разных значений скорости остывания пленок. На фиг.2 приведена микрофотография поверхности напряженной пленки. На фиг.3 изображен сверхпроводящий квантовый магнитометр, в котором слабые связи сформированы заявляемым способом.

Основная идея экспериментов исследования нового способа заключалась в следующем. Технологические параметры для выращивания пленок выбирались такими, при которых для обычного режима остывания после процесса напыления получается высококачественная монокристаллическая high-пленка; далее, контролируя скорость охлаждения пленки нагревателем, выбирается время, за которое получается требуемая величина плотности критического тока. При этом используют ранее полученные зависимости плотности критического тока J_с от времени выдержки пленок в печи t для разных значений скоростей остывания пленок (фиг.1).

В заявляемом способе создания слабых связей в системах на пленочных ВТСП-сквидах, названном авторами методом "контролируемой закалки", использовано обнаруженное существенное влияние на физические свойства YBaCuO пленок таких технологических параметров, как скорость остывания пленки после процесса напыления и время выдержки в печи, связанное с временем релаксации механических напряжений, возникающих при выращивании. Высокие значения сверхпроводящих параметров, в особенности плотности критического тока J_с, а также монокристаллическая структура позволяют утверждать, что механические напряжения, возникающие в сверхпроводящей тонкой пленке YBaCuO в процессе выращивания, успевают практически полностью релаксировать (пленка остывает в течение достаточно длительного времени - около 30 мин). Однако при высоких скоростях охлаждения сверхпроводящие свойства пленки, в частности плотность критического тока, существенно уменьшаются, что связанно с "замораживанием" механических напряжений и образованием доменов напряжений. Основной причиной возникновения механических напряжений является рассогласование параметров кристаллических решеток материала подложки и пленки и различие коэффициентов температурного расширения. В качестве подложек были использованы монокристаллы LaAlO₃(100). Рассогласование параметров кристаллических решеток LaAlO₃ и YBa₂Cu₃O_7-δ составляет ~1%.

Микрофотография поверхности напряженной пленки, представленной на фиг.2, показывает, что в случае напряженной пленки наблюдается фрагментация материала, т.е. образуется блочная структура. При этом блоки имеют два характерных размера: ~ 10 мкм и ~1 мкм. Большие блоки имеют субструктуру, состоящую из разориентированных кристаллитов. Кроме того, можно заметить, что большие блоки выстраиваются в довольно протяженные цепочки.

Отметим следующее важное обстоятельство: значение критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние для обоих типов пленок составляет Т_с= 92 К, в то время как значения плотностей критического тока отличаются на два порядка. Это свидетельствует о том, что резкое подавление транспортных свойств напряженных пленок не может быть связано с недостатком кислорода, т. е. насыщение кислородом происходит еще в процессе выращивания пленки. Подавление критического тока непосредственно связано с границами между доменами напряжений.

Кривые температурных зависимостей критического тока напряженных пленок имеют необычный вид, существенным образом отличающийся от кривых для обычных low- и high-пленок. Кроме того, фрагментация напряженных пленок исчезает за достаточно малые времена, т.е. время релаксации механических напряжений мало. Это позволяет утверждать о существенном отличии природы межблочных границ напряженных пленок от межблочных границ обычных гранулярных пленок. По нашему мнению, такой элемент структуры напряженных пленок, как граница имеет другой, более низкий масштабный уровень, нежели межблочная граница в обычных пленках.

Если в последних межблочная граница является элементом макроструктуры, то напряженные пленки можно характеризовать мезоструктурой, а его элементами являются "мезоскопические домены напряжений" и "мезограницы". О существовании элементов структуры на мезомасштабном уровне убедительно свидетельствует быстро развивающееся в последнее время новое направление физики - "Мезомеханика". Отметим, что описанные выше особенности фрагментирования напряженных пленок являются характерными для мезоструктур, образующихся в различных материалах на разных стадиях деформационного упрочнения.

На приведенных на фиг.1 зависимостях плотности критического тока J_с от времени выдержки пленок в печи t для разных значений скоростей остывания печи время t можно разбить на два интервала: время t₀, требуемое пленке для приобретения сверхпроводящих транспортных свойств - пересечение кривой J_с(t) с временной осью, и время релаксации механических напряжений τ - время, за которое плотность критического тока увеличивается от нуля до 10⁶ А/см². Как видно, кривые J_с(t) с понижением скорости остывания v сдвигаются вправо, а время релаксации τ уменьшается.

При увеличении скорости охлаждения системы пленка-подложка происходит быстрый рост механических напряжений в приграничном слое. Это приводит к возрастанию скорости распространения упругих напряжений из приграничного слоя в объем тонкой пленки, что уменьшает время фрагментации материала пленки, т.е. раньше начинает формироваться мезоструктура. Очевидно, что начало релаксации мезоструктуры также начинается раньше. Этим и объясняется зависимость t₀(v). Время релаксации мезоструктуры при увеличении скорости охлаждения возрастает, а следовательно, возрастает и τ.

Подавление плотности критического тока в напряженных пленках можно объяснить из следующих соображений. Граница между доменами напряжений представляет собой деформацию кристаллической решетки. При определенных условиях деформационный потенциал решетки можно представить в виде потенциальной ямы для электронов. Характер такой ямы будет зависеть от материала, вида кристаллической решетки, от параметров деформации, от температуры и т.д. Понятно, что в подобной деформационной потенциальной яме может локализоваться электрон. Причем достаточно глубокая яма будет содержать не один уровень, что приведет к локализации достаточно большого числа электронов на границе между доменами напряжений. Возникнет кулоновская блокада, которая будет оказывать существенное влияние на протекающий ток. В случае сверхпроводника кулоновская блокада приведет к подавлению не только полного тока, но в первую очередь когерентной составляющей тока - сверхтока.

Заявляемый способ реализуется при изготовлении сверхпроводящего квантового магнитометра, изображенного на фиг.3, следующим образом. Технологичные параметры для выращивания пленок выбирались следующие: температура напыления 840^oС, плотность мощности лазерного излучения 10⁹ Вт/см² при длительности импульса 20 нс и давлении 0,1 торр, далее выбирается скорость охлаждения пленки по графику на фиг.1 и задается током нагревателя, затем подбирают время пребывания в печи после окончания напыления и скорость закалки, которое обеспечивает требуемое значение J_с.

Вся схема изготовлена на одном слое ВТСП-пленки толщиной 10-100 нм, сформированной на изолирующей подложке, например SrTiO₃, LaAlO₃, Аl₂О₃.

Для надежного малошумящего электрического контакта при включении магнитометра в измерительную схему и устранения деградации сверхпроводящих свойств пленок на подложку в местах будущего расположения контактных электродов наносится подслой золота или платины.

Геометрия слабых связей 1-2 пт-сквида, контура квантования 3, концентратора магнитного потока 4 и контура связи 5 с выводами на золотые или платиновые контакты 6 формируется методом фотолитографии и сухого травления по патенту РФ N 1823732, разработанному авторами, который имеет высокую технологическую воспроизводимость при изготовлении слабых связей шириной 1-2 мкм.

Кроме того, достоинством способа является воспроизводимость технических характеристик в процессе работы из-за отсутствия деградации СП-свойств при термоциклировании напряженных пленок. Исследования шумовых характеристик магнитометров проводились при включении их в стандартную схему с замкнутой обратной связью. Коэффициент преобразования выходного напряжения интегратора в поток, действующий на пт-сквид магнитометр, находился по методу определения минимального скачка напряжения при перезахвате следящей схемы сквида. Измерения шумовых характеристик образцов показали, что при частотах f=1 Гц их энергетическая чувствительность составляет Е=10^-10 Дж/Гц.

Изобретение относится к способам создания слабых связей, используемых в высокочувствительных системах на пленочных YBaCuO ВТСП-сквидах. Предложен способ, заключающийся в том, что в тонких сверхпроводящих пленках в области слабых связей создают механические напряжения, не подвергающиеся релаксации в процессе эксплуатации указанных систем, при этом механические напряжения создают термическим методом путем охлаждения нанесенных на подложку ВТСП-пленок с контролируемой скоростью, при которой сохраняется рассогласование параметров кристаллических решеток материала подложки и пленки, скорость охлаждения пленки выбирается от 1,3 до 2,1 ^oС/с, время пребывания в печи от 60 до 300 с. В результате упрощается технология изготовления элементов Джозефсона при повышении стабильности работы системы, надежности и воспроизводимости характеристик. 3 ил.

Способ создания слабых связей в системах на пленочных YBaCuO ВТСП-сквидах, отличающийся тем, что в тонких сверхпроводящих пленках в области слабых связей создают механические напряжения, не подвергающиеся релаксации в процессе эксплуатации указанных систем, при этом механические напряжения создают термическим методом путем охлаждения нанесенных на подложку ВТСП-пленок с контролируемой скоростью, при которой сохраняется рассогласование параметров кристаллических решеток материала подложки и пленки, скорость охлаждения пленки выбирается от 1,3 до 2,1^oС/с, время пребывания в печи от 60 до 300 с.