ГЕТЕРОСТРУКТУРА НА ОСНОВЕ ДЖОЗЕФСОНОВСКОГО ТУННЕЛЬНОГО ПЕРЕХОДА СВЕРХПРОВОДНИК-ИЗОЛЯТОР-СВЕРХПРОВОДНИК С ИНТЕГРАЛЬНЫМ ШУНТИРОВАНИЕМ Российский патент 2022 года по МПК H01L39/22 

Изобретение относится к области сверхпроводниковой микроэлектроники и может быть использовано для создания генераторов и приемников излучения ТГц и суб-ТГц диапазона, сверхпроводниковых квантовых интерферометров (СКВИДов), одноквантовых цифровых устройств.

Из уровня техники известны различные устройства с использованием гетероструктур на основе джозефсоновских туннельных переходов.

Известны приборы на основе джозефсоновского туннельного перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) (RU2504049 С2, "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина", 10.01.2014. Сверхпроводящий прибор Джозефсона на основе многослойной тонкопленочной гетероструктуры, содержащий два слоя сверхпроводника, образующих электроды, и прослойку с металлической проводимостью между ними из легированного металлом полупроводника, прослойка имеет локально неоднородную структуру и выполнена с возможностью одновременного образования в ее объеме двух независимых каналов транспорта тока.

Недостаток такого решения заключается в том, что индуктивность перехода, а также нормальное сопротивление перехода имеют немонотонную зависимость от толщины промежуточного слоя полупроводника (Gudkov, A.L., Kupriyanov, М.Y., & Likharev, K.K. (1988). Properties of Josephson junctions with amorphous-silicon interlayers. Zh. Eksp.Teor. Fiz, 94(3), 19-332.). Это может привести к тому, что при малых отклонениях толщины промежуточного слоя из-за особенностей технологического процесса от закладываемых значений, будут немонотонно и непредсказуемо меняться индуктивность и нормальное сопротивление, следовательно, характерное напряжение и параметр гистерезисности Маккамбера.

Известны и другие сверхпроводящие приборы с использованием переходов типа SNS (например, US 6734454 (В2), Van Duzer, et al., 11.05.2004; ЕР 1365456 (A2), YAMAMORI HIROTAKE et al., 26.11.2003), в которых транспорт тока осуществлялся путем непосредственного протекания тока через прослойку с чисто металлической проводимостью и имеет место значительное подавление сверхпроводимости в электродах (RU 2599904 С1). В таких переходах, как правило, величина характерного напряжения не превышает десятков микровольт, что соответствует рабочим частотам до 20 ГГц. Для большинства практических применений требуются джозефсоновские контакты с характерным напряжением сотни микровольт и рабочими частотами 200 ГГц и выше.

Известно изготовление переходов с высокой плотностью тока, что обеспечивает высокое характерное напряжение и безгистерезисность вольтамперной характеристики без использования внешнего шунтирования (Tolpygo S.K. et al Properties of unshunted and resistively shunted Nb/AlOx-Al/Nb Josephson junctions with critical current densities from 0.1 to 1 mA/μm2 //IEEE Transactions on Applied Superconductivity., V. 27, №. 4. - pp. 1-15. (2017)). Недостатком является сложный технологический процесс - необходимо изготавливать структуры с очень тонкой прослойкой изолятора (порядка нескольких атомных слоев). Этот процесс является сложно контролируемым и непредсказуемым. Также повышение плотности тока приводит к тому, что для изготовления переходов с сопротивлениями порядка нескольких Ом, что требуется для большинства практических приложений, приходится существенно уменьшать их размер (площади переходов менее 0,1 мкм²). Это тоже значительно усложняет процесс изготовления.

Известно, что шунтирование туннельного перехода обеспечивает безгистерезисность вольтамперной характеристики. Существует также способ шунтирования внешним резистором (см. вышеуказанную ст. Tolpygo S.K. et al., p. 3). По этому способу шунт представляет тонкопленочный резистор из нормального металла, толщина которого выбирается с учетом плотности тока, а геометрические размеры - с учетом параметров туннельного перехода и необходимой степени шунтирования. Недостатком является высокая паразитная индуктивность тонкопленочного шунта, а также большой суммарный размер структуры по сравнению с площадью одного шунтируемого СИС перехода. Даже в самых современных дизайнах площадь шунта в разы больше площади перехода.

Наиболее близким к патентуемой является гетероструктура по патенту US 6734454 (В2), UNIV ARIZONA, UNIV CALIFORNIA - 11.05.2004 - прототип. Джозефсоновский переход имеет собственное сопротивление, которое эффективно шунтирует переход и, таким образом, устраняет необходимость в отдельном шунтирующем резисторе и, таким образом, уменьшает площадь поверхности в интегральной схеме, включающей в себя множество джозефсоновских переходов. Джозефсоновский переход состоит из набора слоев Nb и сверхпроводника с T_C >9°K, имеющего большую глубину проникновения, чем у Nb, например, Nb_yTi_1-yN, со слоем проводящего материала, имеющего удельное сопротивление между 200 мк Ом.см и 1 Ом.см, например, TaxN. Джозефсоновский переход может быть сформирован на несущей подложке, такой как кремний, с заземляющей пластиной, такой как Nb, на подложке и изолирующим слоем, таким как SiO₂, отделяющим заземляющую пластину от массива.

Недостаток такого шунтирования состоит в низкой воспроизводимости требуемых параметров. Описаны исследования (Yu, Lei, et al. "Internally shunted Josephson junctions with barriers tuned near the metal-insulator transition for RSFQ logic applications." Superconductor Science and Technology 19.8 (2006): 719), свидетельствующие о том, что у образцов, изготовленных на одной пластине, сильно варьируются критические токи I_C и сопротивления R_n из-за нарушения стехиометрии. Более того, если даже для одной подложки существуют заметные вариации значений критического тока и нормального сопротивления, то они будут гораздо сильнее от одного цикла изготовления к другому.

Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы снижения паразитной индуктивности и расширения частотного диапазона работы джозефсоновских туннельных переходов типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), при обеспечении большей компактности, что является техническим результатом изобретения.

Патентуемая гетероструктура на основе джозефсоновского туннельного перехода сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС) включает подложку из кремния с первым слоем ниобия на ней, второй слой ниобия, отделенный от первого слоя ниобия барьерным слоем, третий слои ниобия, и элемент интегрального шунтирования СИС перехода.

Отличие состоит в следующем. Элемент интегрального шунтирования выполнен в виде цилиндрического перехода сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН), расположенного соосно упомянутому СИС переходу, цилиндрической формы, причем величина радиуса г СИН перехода выбрана из условия заданной степени шунтирования, при этом поверх первого слоя ниобия, размещенного на подложке, размещены первый слой алюминия с образованным барьерным слоем из двуокиси алюминия и вторым слоем алюминия, в центральной части второго слоя алюминия размещен второй слой ниобия с внешним радиусом r₁, которые совместно образуют СИН переход, а третий слой ниобия размещен так, что он контактирует только со вторым слоем ниобия и отделен от упомянутой структуры слоем двуокиси кремния.

Гетероструктура может характеризоваться тем, что площадь СИС перехода составляет 1,4 мкм² при внешнем радиусе СИН перехода в диапазоне r =1,5 до 3,5 мкм.

Предлагаемый способ шунтирования заключается в изготовлении туннельных СИС переходов с интегральным шунтированием переходом сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН), расположенным вокруг основного перехода и изготовленным с ним в одном технологическом процессе. Внутренний радиус СИН-перехода определяется радиусом СИС-перехода, внешний - выбирается с учетом необходимого сопротивления. В этом случае удается добиться снижения паразитной индуктивности и расширения частотного диапазона работы джозефсоновских туннельных переходов типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник.

Существо изобретения поясняется на фигурах:

фиг. 1 - гетероструктура в поперечном сечении;

фиг. 2 - гетероструктура, разрез по линии А-А;

Фиг. 3 - 6 - последовательность формирования гетероструктуры;

фиг. 7 - результаты численного моделирования: зависимость характерного напряжения V_C перехода с СИН шунтированием от внешнего радиуса г шунта;

фиг. 8 - результаты численного моделирования: зависимость суммарного подщелевого напряжения шунта и перехода R_jtotal от внешнего радиуса r шунта для различных плотностей тока;

фиг. 9 - результаты численного моделирования: параметр гистерезисности β_C в зависимости от внешнего радиуса r шунта для различных плотностей тока;

фиг. 10 - вольтамперные характеристики изготовленных структур с шунтированием СИН переходом под воздействием сигнала СВЧ диапазона;

фиг. 11 - вольтамперные характеристики полученных структур с различной степенью шунтирования.

На фиг. 1, 2 показана топология патентуемой гетероструктуры. На подложке 1 из кремния размещен первый слой 2 из пленки Nb, затем первый слой 3 из пленки Al. Поверх слоя 3 образован барьерный слой 4 из Al₂O₃, затем второй слой 5 из Al.

Далее в центральной части слоя 5 формируют СИС переход малого размера из слоя 6 Nb. Далее размещен слой 7 SiO₂, поверх которого образован верхний электрод из слоя 8 Nb.

Пример последовательности формирования слоев гетероструктуры схематично показан на фиг. 3-6. Гетероструктура выполняется в одном технологическом цикле и включает следующие операции:

- напыление четырехслойной структуры Nb-AlOx/Al-Nb на кремниевую подложку (фиг. 3);

- формирование СИН перехода 11 методом плазмохимического травления, и проведение сквозной анодизации верхнего слоя 5 алюминия вне СИН перехода 11 (фиг. 4);

формирование основного СИС перехода 10, напыление слоя 7 изолятора SiO₂ толщиной 250 нм (фиг. 5);

- напыление верхнего (замыкающего) электрода 8 из Nb толщиной 300 нм (фиг. 6).

Подложка 1 - пластина монокристаллического неокисленного высокоомного кремния, которая при низких температурах является диэлектриком. Размер подложки 24×24×0,5 мм. На очищенную подложку 1 осаждался слой Al₂O₃ толщиной 100 нм, который является защитным при формировании переходов реактивно-ионным травлением.

Геометрия нижнего электрода в слое 2 формировалась методом «взрывной» литографии.

Осаждение четырехслойной структуры Nb/Al-AlOx/Al/Nb производится в едином вакуумном цикле (фиг. 3). Слои 2,6 Nb и слои 3,5 Al осаждались методом DC магнетронного распыления.

Нижний слой 2 пленки Nb толщиной 200 нм формировался при мощности 600 Вт и давлении Ar 3⋅10^-3 мбар. После необходимого охлаждения пленки Nb, осаждался слой 3 пленки Al толщиной 5 нм при мощности 100 Вт и давлении Ar 2⋅10^-3 мбар. Затем проводилось его термическое окисление при комнатной температуре в течение 20 минут в атмосфере чистого кислорода при давлении 2⋅10^-2 мбар.

После откачки остаточного кислорода проводилось осаждение второго слоя 5 Al толщиной 7 нм при мощности 100 Вт и давлении Ar 2⋅10^-3 мбар и верхний слой Nb толщиной 100 нм при мощности 600 Вт и давлении Ar 3⋅10^-3 мбар.

СИН переход 11 формировался методом реактивного ионного травления верхнего слоя 6 Nb в смеси газов CF₄+3% О₂ при мощности 50 Вт. В результате полностью удалялись незащищенные резистом участки слоя 6 ниобия. Процесс травления автоматически останавливался на слое 5 пленки алюминия. Затем по этой же резистивной маске проводилось сквозное анодирование Al до напряжения 15-20 B в растворе электролита.

Геометрия основного СИС перехода 10 формировалась методом «взрывной» литографии. После фотолитографии, определяющей размер (D = 2r₁) перехода, проводилось реактивное ионное травление Nb в смеси газов CF₄+3% О₂ при мощности 50 Вт, с последующей анодизацией до 7-8 В. Затем напылялся слой 7 изоляции SiO₂ толщиной 250 нм; при этом использовалась та же резистивная маска, что и при втором травлении и анодизации. Чтобы избежать трудностей со взрывной литографией, осаждение изоляционного слоя 7 по оставшейся маске проводилось в два этапа с временным интервалом, достаточным для охлаждения. Пленка SiO₂ осаждались методом RF магнетронного распыления при мощности 450 Вт и давлении Ar 2⋅10^-3 мбар.

На последнем этапе происходило формирование верхнего (замыкающего) электрода. Пленка слоя 8 Nb толщиной 300-400 нм осаждалась методом DC магнетронного распыления при мощности 600 Вт и давлении Ar равном 3⋅10^-3 мбар. Геометрия верхнего электрода слоя 8 Nb формировалась методом «взрывной» литографии.

На фиг. 7-9 приведены результаты численного моделирования. Зависимость характерного напряжения V_C перехода с СИН шунтированием от внешнего радиуса r шунта показана на фиг. 7. Зависимость суммарного подщелевого напряжения шунта и перехода R_jtotal от внешнего радиуса шунта r для различных плотностей тока показана на фиг. 8.

На фиг. 9 приведен расчет параметра гистерезисности β_C (β_C ≤ 1 в случае безгистерезисности) в зависимости от внешнего радиуса r шунта для различных плотностей тока. Площадь СИС перехода S = 1,4 мкм².

Проведенные численные расчеты показывают, что при создании структур с малым удельным туннельным сопротивлением R_nS ≈ 7 Ом×мкм², возможно получить переходы с высоким характерным напряжением V_C ≈ 800 мВ и с бесгистерезисной вольтамперной характеристикой.

На фиг. 10 показаны вольтамперные характеристики изготовленных структур с шунтированием СИН переходом. Приведены вольтамперные характеристики СИС перехода с СИН-шунтированием без воздействия внешнего сигнала и под воздействием сигналов с частотами 330 ГГц, 400 ГГц и 460 ГГц. Видно, что СИС переход с СИН-шунтированием обеспечивает эффективное функционирование на высоких частотах. Для каждой из частот наблюдаются соответствующие ступени Шапиро на напряжениях, соответствующих частоте согласно соотношению Джозефсона.

На фиг. 11 приведены вольтамперные характеристики изготовленных структур с различной степенью шунтирования для следующих параметров: площадь перехода S = 1,4 мкм². Внешний радиус r шунта варьируется от 1,5 до 3,5 мкм. Видно, что патентуемый тип шунтирования обеспечивает работоспособность гетероструктур, при этом степень шунтирования возможно регулировать, задавая радиус СИН перехода.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о достижении технического результата изобретения: обеспечение большей компактности при расширении частотного диапазона работы джозефсоновских туннельных переходов.

Гетероструктура на основе джозефсоновского туннельного перехода сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС) включает подложку из кремния, первый, второй и третий слои ниобия, разделенные барьерным слоем, и элемент интегрального шунтирования СИС перехода. Элемент интегрального шунтирования выполнен в виде перехода сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН), расположенного соосно упомянутому СИС переходу, причем величина радиуса r СИН перехода выбрана из условия заданной степени шунтирования. Первый слой ниобия размещен на подложке, поверх него размещен первый слой алюминия с образованным барьерным слоем из двуокиси алюминия и второй слой алюминия, в центральной части которого размещен второй слой ниобия с внешним радиусом r₁, совместно образующие СИН переход. Третий слой ниобия контактирует только со вторым слоем ниобия и отделен от упомянутой структуры слоем двуокиси кремния. Технический результат -обеспечение большей компактности при расширении частотного диапазона работы джозефсоновских туннельных переходов. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Гетероструктура на основе джозефсоновского туннельного перехода сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС), включающая подложку из кремния с первым слоем ниобия на ней, второй слой ниобия, отделенный от первого слоя ниобия барьерным слоем, третий слои ниобия и элемент интегрального шунтирования СИС перехода, отличающаяся тем, что элемент интегрального шунтирования выполнен в виде цилиндрического перехода сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН), расположенного соосно упомянутому СИС переходу, цилиндрической формы, причем величина радиуса r СИН перехода выбрана из условия заданной степени шунтирования, при этом поверх первого слоя ниобия, размещенного на подложке, размещены первый слой алюминия с образованным барьерным слоем из двуокиси алюминия и вторым слоем алюминия, в центральной части второго слоя алюминия размещен второй слой ниобия с внешним радиусом r₁, которые совместно образуют СИН переход, а третий слой ниобия размещен так, что он контактирует только со вторым слоем ниобия и отделен от упомянутой структуры слоем двуокиси кремния.

2. Гетероструктура по п. 1, отличающаяся тем, что площадь СИС перехода составляет 1,4 мкм² при внешнем радиусе r СИН перехода в диапазоне от r=1,5 до 3,5 мкм.