СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ДЖОЗЕФСОНОВСКИЙ ПРИБОР С КОМПОЗИТНОЙ МАГНИТОАКТИВНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ Российский патент 2016 года по МПК H01L39/22 

Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в радиотехнических устройствах СВЧ-диапазона, а также в информационных системах, работающих при низких температурах.

Известен джозефсоновский торцевой контакт с электропроводящими (или полупроводниковыми) слоями, образующими барьерную прослойку между двумя сверхпроводящими слоями (патент DE 4431340 (А1) 1996-03-07 «Josephson contact with multilayer barrier» - Schilling Meinhard). В таком торцевом джозефсоновском контакте барьер состоит как минимум из двух слоев, состоящих из металлических и полупроводниковых материалов с кристаллической структурой перовскита, в котором (в барьерной прослойке) по крайней мере в одном слое реализуется высокая проводимость. Кроме того, в джозефсоновском торцевом контакте по крайней мере один слой, образующий барьерную прослойку, по сравнению с другими слоями обладает существенно большей сверхпроводящей длиной когерентности. При этом сама барьерная прослойка образуется из поочередно соединенных слоев так, чтобы слой с низкой проводимостью чередовался со слоем с более высокой проводимостью.

В другом типе торцевого джозефсоновского контакта (патент DE 19634645 «Superconductive and non-superconductive layer sequence» R. Holczyk, U. Poppe, Ch. Jia). последовательность и состав слоев может включать последовательность из сверхпроводящего материала, содержащего плоскости CuO₂, и несверхпроводящих слоев из следующих материалов:

(I) BaTbO₃; (II) Ba_1-xSr_xTbO₃ (x=0 1), (III) LaCu_1-xTb_xO₃ (х=0 до 1), (IV) RCu_1-xTb_xO₃ (R=Nd, Eu и Sm и х=0 до 1), (V) Ba_1-xSr_xMO₃ (М=Tb, Pr или Се и х=0 до 1), (VI) LaCu_1-xM_xO₃ (М=Tb, Pr или Се и х=0 до 1), (VII) RCu_1-xM_xO₃ (R=Nd, Eu и Sm, М=Tb, Pr или Се и х=0 до 1), (VIII) R_1-yNyCu-_1xM_xO₃ (R=La, Nd, Eu и Sm, N=Ba или Sr, М=Tb, Pr или Се, х=0 1 и у=0 до 1), (IX) R_2-yN_yCu_1-xM_xO₄ (R=La, Nd, Eu и Sm, N=Ba или Sr, M=Tb, Pr или Се, x=0 до 1 и у = от 0 до 1)

В качестве примера реализации в указанном патенте приведена 5-слойка, сформированная на подложке SrTiO₃: Pt-YBa₂Cu₃O₇ - BaTbO₃ - YBa₂Cu₃O₇ - BaTbO₃ - YBa₂Cu₃O₇-SrTiO₃ (Pt - металлизация). Отмечается, что граница раздела между YBa₂Cu₃O₇/BaTbO₃ имеет протяженность порядка 0,6 нм.

Известен патент (US 2007281861 (А1) 2007-12-06 «Superconducting device and method of manufacturing the same» Ishimaru Yoshihiro, Tarutani Yoshinobu, Tanabe Keiichi), в котором предлагается (помимо однослойных устройств на переходах в бикристаллической конфигурации) многослойное сверхпроводящее устройство, состоящее из подложки, первой сверхпроводящей пленки, изолирующего слоя (барьера) и второй сверхпроводящей пленки. В многослойной сверхпроводящей структуре барьерный слой формируется на нижней (первой) сверхпроводящей пленке.

Общим недостатком такого типа торцевых многослойных устройств является собственно их геометрия, не позволяющая обеспечить идентичность характеристик тонкой пленки в области торцевого скоса и на плоских участках подложки [М. van Zalk, А. Brinkman, J. Aarts, and H. Hilgenkamp, Phys.Rev. В 82, 134513 (2010)].

Известно гибридное устройство с планарной геометрией - оксидная гетероструктура (патент Bozovic I., WO 0239509-A2). Устройство включает в себя подложку и монолитно сформированную на подложке структуру, содержащую один или более магнитных F-слоев из оксидов металлов, формируемых молекулярно-лучевой эпитаксией (слой за слоем). Отметим, что для обеспечения требуемого качества границ раздела S/F, F/F слоев необходимо применение (как и предложено в указанном патенте) уникальной установки молекулярно-лучевой эпитаксии, которая не может быть заменена другими известными методами получения тонких пленок.

Известен также сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом (патент RU 2373610 (С1) - 2009-11-20), Карминская Т.Ю., Куприянов М.Ю., Рязанов В.В. (прототип предлагаемого технического решения). Устройство-прототип представляет собой джозефсоновский переход длиной L, в котором слабая связь образована тонкопленочной магнитоактивной трехслойной FNF структурой (F - ферромагнитный материал, N - нормальный металл), а сверхпроводниковые (S) электроды контактируют с противолежащими боковыми гранями слоистой структуры. Слои S, F, N характеризуются длиной когерентности ξ_S, ξ_F, ξ_N соответственно, а длина L выбирается в интервале от долей до единиц ξ_F. При этом F-слои выполнены с возможностью разворота векторов намагниченности относительно друг друга в плоскости слоистой структуры, предусматривая возможность перехода из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние и обеспечение генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи. Угол разворота векторов намагниченности должен быть заключен в интервале значений, при которых достигается максимальная величина модуля сверхпроводящего тока. Задание сверхпроводящего тока осуществляется в направлении, параллельном FN-границам композитной области слабой связи в S-(FNF)-S структуре.

Основным недостатком прототипа является экспоненциальное уменьшение значений плотности критического тока j_C структуры с увеличением ее длины L, которая не может превосходить нескольких длин когерентности ξ_F. Согласно [J.W.A. Robinson, S. Piano, G. Burnell, С. Bell, and M.G. Blamire Phys. Rev. В 76, 094522, (2007)] величины ξ_F для типичных ферромагнитных материалов Ni₈₀Fe₂₀ - 0.46 нм, Ni - 1.2 нм, Со - 0.3 нм, Fe - 0.25 нм. Для обеспечения малости длины L S-(FNF)-S джозефсоновского перехода требуется труднодоступное и дорогостоящее технологическое оборудование, которое обеспечит получение субмикронных зазоров с контролируемой поверхностью нижнего электрода. При этом требуемая протяженность границ раздела S/FNF и FNF/S в патенте-прототипе не специфицируется.

Анализ уровня техники показывает, что общим недостатком тонкопленочных джозефсоновских устройств, выполненных в торцевой геометрии, является неидентичность характеристик пленки в области торцевого скоса и на плоских участках подложки. В устройстве-прототипе этот недостаток преодолен за счет планарного расположения слоев FNF структуры, которая подсоединена к сверхпроводниковым электродам боковыми гранями. Для практической реализации такого прибора требуется чрезвычайно короткая (порядка единиц нанометров) длина L FNF структуры, при этом необходимо обеспечить требуемое качество границ раздела между торцами FNF-структуры и S-электродами при условии сохранения их недеформированными в процессе технологических операций изготовления прибора, что является проблематичным для современного уровня технологии, при этом остается открытым вопрос интегрируемости джозефсоновского устройства-прототипа с антенной.

Целью изобретения является:

1) обеспечение возможности управления плотностью критического тока j_C за счет варьирования толщинами тонких пленок композитной магнитоактивной прослойки, что позволяет устранить недостаток прототипа - экспоненциальное уменьшение плотности критического тока j_C в зависимости от длины L джозефсоновского прибора с магнитоактивной прослойкой;

2) обеспечение интегрируемости тонкопленочного сверхпроводникового джозефсоновского прибора со сверхпроводниковой антенной на одном чипе.

Поставленная цель достигается тем, что сверхпроводниковый джозефсоновский прибор Sd-M-S (Sd - базовая пленка YBCO, М - композитная магнитоактивная прослойка, S - верхний сверхпроводниковый электрод) формируется на одной подложке (чипе) методами плазмо-химического и ионного-лучевого травлений, а ее тонкопленочная топология интегрируема со сверхпроводниковой тонкопленочной антенной. В качестве подложки используется NdGaO₃ с ориентацией (110), для Sd используется эпитаксиально выращенная пленка сверхпроводящего купрата YBCO, а в качестве композитного магнитоактивного слоя М используются последовательно осаждаемые пленки манганита La_0.7Sr_0.3MnO₃, (LSMO) и рутената стронция SrRuO₃ (SRO). Направление вектора намагниченности пленки LSMO лежит в плоскости подложки, а в SRO вектор намагниченности направлен под углом примерно 23° относительно нормали к подложке, что обеспечивает из неколлинеарность. При этом плотность критического тока определяется суммой и отношением толщин SRO и LSMO пленок (d_SRO и d_LSMO соответственно). Толщины пленок определяются числом импульсов лазерной абляции, что с учетом длин когерентности ξ_F в SRO и LSMO обеспечивает как оптимальное соотношение d_SRO/d_LSMO, так и суммарную толщину d_M=d_SRO+d_LSMO композитной прослойки, варьируемой от единиц до десятков нанометров. В качестве верхнего электрода S используется сверхпроводящая двухслойка AuNb. Толщина Au в верхнем электроде AuNb должна обеспечивать сверхпроводящий эффект близости. Планарный размер структуры L (длина и ширина) составляет величину от долей до десятков микрометров и определяет амплитуду критического тока I_C=j_CL². При приложении внешнего магнитного поля происходит изменение взаимной пространственной ориентации намагниченностей пленок SRO и LSMO в М прослойке, обеспечивающее не только модуляцию критического тока, но и оказывает модифицирующее влияние на функцию ток-фазовой зависимости.

Тонкие пленки Sd и М выращиваются in situ в той же вакуумной камере при высокой температуре нагрева подложки, а затем полученная структура ex situ покрывается тонким, 20-30 нм, слоем Au после охлаждения до комнатной температуры. Последующий слой ниобия для электрода S наносится методом магнетронного распыления после нанесения дополнительной защитной пленки Au (после стравливания с целью очистки поверхности слоя золота, осажденного на предыдущем этапе in situ). Подслой золота используется для сохранения стехиометрии по кислороду оксидной прослойки и предотвращения окисления приповерхностного слоя ниобия и предотвращения образования окислов. Эффект близости между сверхпроводящим Nb и тонким слоем металла Au может проявляться в некотором снижении критической температуры бислоя NbAu до значения T_C=8,5-9 K. Величины прозрачности границ раздела I₁ (между купратным сверхпроводником S_d и магнитоактивным материалом М) и I₂ (между слоем М и верхним S-электродом из двухслойки AuNb) определяются значениями характерного сопротивления R_NA, где R_N - сопротивление структуры в нормальном состоянии, A=L² - площадь контактной области.

Сущность изобретения поясняется на чертежах:

Фиг. 1. Гетероструктура сверхпроводникового джозефсоновского прибора с композитной магнитоактивной прослойкой: (а) схематическое изображение и функциональная модель. 1 - подложка, 2 - тонкая пленка YBCO, 3 и 4 пленки композитной магнитоактивной прослойки, 5 - пленка Nb. Снятие вольт-амперных характеристик осуществляется подключением источника тока «А» и вольтметра «V» через контактные площадки из золота на электродах 2 и 5. В функциональной модели S - сверхпроводниковая двухслойка NbAu, Sd - сверхпроводник YBCO, М - магнитоактивная прослойка, которая состоит из двух ферромагнитных слоев, I₁ и I₂ - барьерные области, образующиеся на границах раздела, (б) увеличенное изображение (фотография) фрагмента гетероструктуры с антенной, сформированной на электродах 2 и 5.

Фиг. 2. Семейство вольт-амперных характеристик при Т=4,2 K и частоте СВЧ воздействия 41 ГГц. Параметры джозефсоновского прибора с композитной магнитоактивной прослойкой: d_SRO=6 нм, d_LSMO=5.5 нм, L=10 мкм. Параметр α - вносимое затухание в тракт внешней электродинамической системы.

Фиг. 3. Нормированные зависимости критического тока (кружки), первой ступени Шапиро (треугольники) и полуцелой ступени Шапиро (ромбы) от нормированной амплитуды СВЧ-излучения a=I_RF/I_C. Линиями показаны теоретические зависимости, рассчитанные по модифицированной резистивной модели, учитывающей влияние второй гармоники ток-фазовой зависимости сверхпроводящего тока.

Фиг. 4. Фурье анализ периодов модуляции критического тока внешним магнитным полем (ΔH_FFT) и соответствующие амплитуды Фурье компонент в зависимости от параметра 1/L для магнитнополевых зависимостей критического тока трех джозефсоновских гетероструктур, расположенных на одном чипе.

Сверхпроводниковый джозефсоновский прибор с композитной магнитоактивной прослойкой (Фиг. 1) может быть сформирован на основе эпитаксиально выращенных пленок оксидных материалов. Для этого предлагается использовать известные методы лазерной абляции, магнетронного распыления и катодного распыления при высоком давлении кислорода. Для получения базовых пленок купратного сверхпроводника YBa₂Cu₃O_7-δ (YBCO) применима подложка NdGaO₃ (NGO) с ориентациями (110). Такой подход позволяет управлять свойствами эпитаксиально сформированных многослойных структур и получать базовые пленки купратных сверхпроводников с критической температурой T_C=88-89 K. Для получения магнитных пленок прослойки М можно использовать тонкие пленки оптимально допированного манганита La_0.7Sr_0.3MnO₃ (LSMO) при температурах Т<100 K, обладающего свойствами ферромагнетиков. Аналогичный подход применим и для напыления пленок других оксидных материалов, в частности рутената SrRuO₃ (SRO), а также композитной прослойки рутенат-манганит SRO/LSMO. На рентгеновских спектрах опытных образцов наблюдались пики трех материалов гетероструктуры YBCO, LSMO и SRO, что указывает на эпитаксиальный рост пленок в гетероструктуре и отсутствие перемешивания материалов на границах раздела. Топология джозефсоновского прибора может быть сформирована известными методами фотолитографии, плазмо-химического и ионного-лучевого травлений. Тонкие пленки в многослойных структурах с контролируемой толщиной от единиц до десятков нанометров могут быть эпитаксиально выращены без разрыва вакуума при высокой температуре нагрева подложки. Для нагрева и поддержания подложки при высокой температуре может быть использован нагреватель на основе элемента "ThermoCoax", состоящий из центральной жилы NiCr, коаксиальной оболочки из нержавеющей стали и изолирующей прослойки из порошкообразного MgO. Под крышку нагревателя с помощью серебряной пасты, обеспечивающей хороший термический контакт, вклеивается изолированная термопара Cu/NiCr. Для достижения хорошего термического контакта подложка также приклеивается к крышке нагревателя серебряной пастой.

Перед осаждением двухслоек Au/Nb поверхность обрабатывается методами радиочастотного травления или ионно-лучевого травления в атмосфере Ar в зависимости от типа использовавшихся напылительных установок. Осаждение пленок Au и Nb проводится методами радиочастотного распыления и радиочастотного магнетронного распыления мишеней Au и Nb соответственно. Толщина пленки Au составляла 5-30 нм, Nb 200 нм. Для предотвращения химического взаимодействия Nb с фоторезистом в процессе длительного ионно-лучевого травления пленки YBCO на поверхность пленки Nb осаждается дополнительный защитный слой Au толщиной 30 нм.

Для формирования топологии сверхпроводникового джозефсоновского прибора с композитной магнитоактивной прослойкой используется фотолитография. Многослойка Au/Nb/Au/M/YBCO покрывается слоем фоторезиста Shipley-1813 толщиной порядка 1 мкм, который после процессов засветки и проявления оставался в области перехода, образуя маску, через которую затем производилось травление многослойки Au/Nb/Au/MYBCO. Для травления Nb применяется плазмо-химическое травление в смеси CF₄ и O₂. Удаление пленок Au, YBCO и манганитной прослойки производится ионно-лучевым травлением с низкой энергией ионов Ar+ 250 эВ и плотностью ионного тока 0.2 мА/см², что уменьшает влияние ионной бомбардировки на поверхностный слой манганитной прослойки и YBCO пленки. Сформированную указанным способом многослойную структуру следует затем изолировать с торцов изолирующим слоем SiO₂, который позволяет локализовать область протекания тока и избежать паразитных контактов по торцам YBCO пленки. Из областей переходов и контактных площадок пленка SiO₂ удаляется методом взрывной фотолитографии. На последнем этапе производится напыление дополнительных слоев Nb и Au и формирование в них рисунка, обеспечивающего возможность проведения 4-точечных электрических измерений при Т<T_C. На Фигуре 1б показано увеличенное изображение (фотография) фрагмента центральной гетереструктуры с антенной на подложке 5×5 мм², на которой расположено пять структур Nb/Au/M/YBCO размерами от 10×10 до 50×50 мкм².

Измерения зависимостей критического тока I_C от магнитного поля показали, что на зависимостях I_C(H) критический ток увеличивается при приложении слабого магнитного поля Н=5-15 Э. Конкретная величина магнитного поля, при котором наблюдается максимум критического тока, зависит от параметров Nb/Au/M/YBCO и направления магнитного поля. Теоретические расчеты [L. Trifunovic, Z. , and Z. Phys. Rev. B, 84, 064511 (2011) и A.S. Mel′nikov, A.V. Samokhvalov, S.M. Kuznetsova et al., Phys. Rev Lett., 109, 237006 (2012)] предсказывают значительное (на несколько порядков) увеличение второй гармоники ток-фазовой зависимости сверхпроводящего тока для случая несимметричной прослойки (d₁≠d₂) при изменении угла между направлениями намагниченностей пленок прослойки. При измерении динамики изменения ступенек Шапиро было обнаружено отклонение от синусоидальности ток-фазовой зависимости. На ВАХ прибора с L=10 мкм и I_C=88 мкА и нормальным сопротивлением R_N=0,16 Ом под воздействием монохроматического СВЧ-излучения на частоте ГГц наряду с целочисленными наблюдаются дробные ступени Шапиро (Фигуры 2 и 3). Для критической частоты ГГц отношение хорошо соответствует условию высокочастотного предела, что в эксперименте подтверждается величиной максимума первой ступени Шапиро I₁=94 мкА и соответственно отношением I₁/I_C=1.1. При этом максимальная высота полуцелой ступени Шапиро была I_1/2=15 мкА, что в рамках модифицированной резистивной модели [P. Komissinskiy, G.A. Ovsyannikov, K.Y. Constantinian et al., Phys Rev B, 78, 024501 (2008)] с учетом несинусоидальной ток-фазовой зависимости указывает на существенный вклад от второй гармоники. Модификация ток-фазовой зависимости под воздействием внешнего магнитного поля показана на Фигуре 4, демонстрирующей результат Фурье-анализа периодов модуляции ΔH_FFT критического тока I_C внешним магнитным полем Н и соответствующие амплитуды Фурье-компонент в зависимости от параметра 1/L для магнитнополевых зависимостей критического тока I_C(Н) для трех сверхпроводниковых джозефсоновских приборов с композитной магнитоактивной прослойкой, расположенных на одном чипе.

Таким образом, технический результат предлагаемого сверхпроводникового джозефсоновского прибора с многослойной магнитоактивной прослойкой состоит в следующем: а) конструкция прибора обеспечивает возможность управления плотностью сверхпроводящего тока за счет выбора толщин ферромагнитных пленок композитной магнитоактивной прослойки, б) прибор характеризуется несинусоидальной ток-фазовой зависимостью сверхпроводящего тока, модулируемого внешним магнитным полем и СВЧ сигналом, в) изготовление прибора основывается на известных и доступных методах осаждения тонких пленок с контролируемой толщиной каждого слоя, г) формирование прибора в планарной топологии позволяет его интеграцию в планарную широкополосную тонкопленочную антенну на одном чипе.

Использование: для создания сверхпроводникового джозефсоновского прибора. Сущность изобретения заключается в том, что сверхпроводниковый джозефсоновский прибор с композитной магнитоактивной прослойкой на основе тонкопленочной структуры имеет планарную геометрию из тонких пленок в виде гетероструктуры Sd-M-S (Sd - базовая пленка купратного сверхпроводника, М - композитная магнитоактивная прослойка, S - верхний сверхпроводящий электрод), сформированный на подложке из кристалла NdGaO₃ с ориентацией (110), в качестве базовой пленки Sd используется эпитаксиально выращенная пленка сверхпроводящего купрата YBa₂Cu₃O_7-δ, в качестве композитного магнитоактивного слоя М используются последовательно осаждаемые пленки рутената стронция SrRuO₃ (SRO) толщиной d_SRO и оптимально допированного манганита La_0.7Sr_0.3MnO₃ (LSMO) толщиной d_LSMO, а в качестве верхнего электрода S используется сверхпроводящая тонкопленочная двуслойка AuNb, толщины SRO и LSMO пленок определяются числом импульсов лазерной абляции, обеспечивая расчетное соотношение d_SRO и d_LSMO относительно соответствующих длин когерентности ξ_F в SRO и LSMO, толщина композитной пленки d_M=d_SRO+d_LSMO может варьироваться от единиц до десятков нанометров, толщина Au в верхнем электроде AuNb должна обеспечивать сверхпроводящий эффект близости и составляет величину порядка нескольких единиц нанометров, при этом тонкопленочная топология прибора формируется вместе со сверхпроводниковой тонкопленочной антенной из пленок Sd и S, расположенных на той же подложке, а планарный размер L Sd-M-S структуры (в плоскости слоев) варьируется от долей до десятков микрометров. Технический результат: обеспечение возможности создания сверхпроводникового джозефсоновского прибора. 4 ил.

Сверхпроводниковый джозефсоновский прибор с композитной магнитоактивной прослойкой на основе тонкопленочной структуры, отличающийся тем, что имеет планарную геометрию из тонких пленок в виде гетероструктуры Sd-M-S (Sd - базовая пленка купратного сверхпроводника, М - композитная магнитоактивная прослойка, S - верхний сверхпроводящий электрод), сформированный на подложке из кристалла NdGaO₃ с ориентацией (110), в качестве базовой пленки Sd используется эпитаксиально выращенная пленка сверхпроводящего купрата YBa₂Cu₃O_7-δ, в качестве композитного магнитоактивного слоя М используются последовательно осаждаемые пленки рутената стронция SrRuO₃ (SRO) толщиной d_SRO и оптимально допированного манганита La_0.7Sr_0.3MnO₃ (LSMO) толщиной d_LSMO, а в качестве верхнего электрода S используется сверхпроводящая тонкопленочная двухслойка AuNb, толщины SRO и LSMO пленок определяются числом импульсов лазерной абляции, обеспечивая расчетное соотношение d_SRO и d_LSMO относительно соответствующих длин когерентности ξ_F в SRO и LSMO, толщина композитной пленки d_M=d_SRO+d_LSMO может варьироваться от единиц до десятков нанометров, толщина Au в верхнем электроде AuNb должна обеспечивать сверхпроводящий эффект близости и составляет величину порядка нескольких единиц нанометров, при этом тонкопленочная топология прибора формируется вместе со сверхпроводниковой тонкопленочной антенной из пленок Sd и S, расположенных на той же подложке, а планарный размер L Sd-M-S структуры (в плоскости слоев) варьируется от долей до десятков микрометров.