Сверхпроводящее электронное устройство и способ его изготовления Советский патент 1992 года по МПК H01L39/22 H01L39/24 

(Л

С

Использование: приборостроение, микроэлектроника. Сущность изобретения: электроды выполнены из монокристалличе- ского сверхпроводника, а мостики - из поликристаллического. Размер мостиков - больше размера зерен, но меньше перколя- ционной длины. Подложку выполняют монокристаллической, а в местах нахождения мостиков - поликристаллической. Сверхпроводник формируют при условиях, обеспечивающих эпитаксиальный рост сверхпроводящей пленки на монокри стал- лической подложке. 6 ил.

Изобретение относится к электронным устройствам, использующим эффект Джо- зефсона в сверхпроводящих структурах, и способам изготовления этих устройств. Изобретение может быть использовано при разработке высокочувствительных сверхпроводящих детекторов электромагнитного излучения и датчиков магнитного потбка, особенно при изготовлении этих устройств из сверхпроводящих материалов с высокой критической температурой и, соответственно, с малыми величинами длины когерентности.

Известно сверхпроводящее электронное устройство, в котором имеются сверхпроводящие электроды и сверхпроводящие мостики. Электроды и мостики, входящие в состав этого устройства, выполнены из поликристаллической тонкой пленки VBaCuO. Размеры мостиков выбираются исходя из

необходимых значений критических токов мостиков в предположении наличия у таких мостиков джозефсоновских свойств. Изготовление такого рода устройств заключается в напылении поликристаллической пленки на всю поверхность изолирующей подложки и формировании из нее мостиков и электродов.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к изобретению являются устройство и способ его изготовления. Сверхпроводящее электронное устройство содержит два тонкопленочных мостика шириной w 4 мкм и тонкопленочные электроды, соединяющие мостики в контур размером 40 х 42 мкм2 Мостики и электроды выполнены из поликристаллической крупнозернистой пленки высокотемпературного сверхпро- водника TIBaCaCuO с размером зерен а до

00

ел о ел о

40 мкм При этом размер w мостика Дыли меньше характерного размера зерна а , и в мостике возможно выделение одного меж- зеренного джозефсоновского перехода, определяющего джозефсоновские свойства мостика.

Описанное устройство представляет собой сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД). Отмечается, что джозефсоновские свойства мостиков, необходимые для работы всего устройства СКВИД, обеспечиваются за счет слабых связей между зернами пленки. Для улучшения стабильности предложено уменьшить площадь электродов, что приводит к понижению гистерезиса на сигнальных характеристиках устройства, но не устраняет его полностью.

Изготовление устройства заключается в том, что на всю изолирующую подложку наносят сверхпроводящую поликристаллическую пленку, из которой затем формируют мостики и электроды СКВИД, включая контур квантования и места подсоединения внешней схемы

Недостатком устройства и способа являются значительные шумы. Кроме того, на зависимости отклика AV такого устройства от внешнего магнитного пото ка Ф все же наблюдаются нерегулярные участки и гистерезис при изменении направления потока Ф. Это ухудшает стабильность работы устройства, особенно в режиме СКВИД с включенной обратной связью по магнитному потоку Кроме того, при размерах мостиков w а существует значительная вероятность того, что в область мостика не попадает межзеренный переход, и поэтому разброс параметров мостиков будет большим. При реализации такого устройства на основе высококачественных мелкозернистых сверхпроводящих пленок с размерами зерна а 0,1-1 мкм существенно усложняется процесс приготовления, поскольку требование малости размера w мостика относительно размера зерна а приводит к необходимости использования сложных методов формирования мостиков с разрешением менее 0,1

МКМ.

Цель изобретения - понижение уровня шумов и повышение стабильности работы сверхпроводящего электронного устройства, а также повышение воспроизводимости их характеристик.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем сверхпроводящие электроды и мостики из сверхпроводящего поликристаллического материала, электроды выполнены из монокристаллического

материала, а длина, ширина и толщина мостика выбраны большими размера зерна в поликристаллическом материале, но не превышающими перколяционную длину в системе из межзеренных переходов в поликристаллическом сверхпроводящем материале.

Указанная цель достигается также тем, что в известном способе, заключающемся в

нанесении на изолирующую подложку пленки из сверхпроводникового материала и последующем формировании из нее мостиков и электродов, подложку выполняют из монокристаллического материала, в местах будущего расположения мостиков наносят на нее поликристаллический изолирующий слой, после чего на всю подложку наносят сверхпроводящую тонкую пленку при условиях, обеспечивающих эпитаксиальный

рост сверхпроводящей пленки на монокри- сталлической подложке.

В качестве примера конкретного выполнения рассмотрим реализацию сверхпроводящего квантового интерференционного

датчика (СКВИД). На фиг. 1 представлено сверхпроводящее электронное устройство СКВТД согласно изобретению. СКВИД содержит два мостика 1, 2, выполненных из поликристаллического материала

УВа2СизО -с , и электродов 3, А, соединяющих мостики друг с другом таким образом, что электроды 3, 4 составляют контур с включенными в него мостиками 1, 2. Электроды 3, 4 выполнены из монокристаллической пленки VBaaCusOy-J. нанесенной непосредственно на монокристаллическую изолирующую подложку 5 из МдО. Мостики 1, 2 имеют ширину w 15 мкм, длину 1 15 мкм и толщину t 1 мкм и расположены на

поликристаллических изолирующих слоях 6. 7, например, из пленки МдО, находящейся на монокристаллической подложке 5. Используемые поликристаллические пленки из УВа2Сиз07-. имеют размеры зерен а

0,5 мкм Электроды 3, 4 и мостики 1. 2 образуют контур 8, который предназначен для измерения магнитного потока в СКВИД. Контакты 9, подсоединенные к электродам 3. 4, служат для задания тока через СКВИД,

а контакты 10 - для измерения напряжения на СКВИД.

Также в качестве материалов мостиков и электродов могут быть использованы другие сверхпроводящие материалы с аысокими значениями критических температур (15-100 К) и малыми значениями длины когерентности е 10-100 А. Среди них, например, NbN, NbaGe, LaSrCuO, TIBaCaCuO и другие

Работа СКВИД основана на зависимости его критического тока 1с от величины внешнего магнитного потока Ф. наведённого в контуре 8. Наибольшая чувствительность СКВИД к внешнему потоку достигается при наличии у мостиков 1, 2 джозефсоновских свойств. Джозефсонов- ские свойства мостиков в данном устройстве обеспечиваются за счет джозефсоновских свойств межзеренныхпе- реходов в поликристаллической пленке. Вследствие разброса параметров межзе- ренных барьеров в. поликристаллических пленках /Ва2Сиз07- Г их сопротивления в нормальном состоянии RNI и критические токи1с имеют существенно различные значения. Это обстоятельство обуславливает неоднородности в пространственном распределении тока как р нормальном,так и в сверхпроводящем состоянии. Расчеты, про- веденные на основе теории перколяции, указывают на то, что основной ток в средах с сильной неоднородностью электропроводности течет по так называемой критической подсетке с характерным размером (перколяционной длиной) L, значительно превосходящим размер зерна в пленке. Величина перколяциоиной длины L измеряется с помощью методов локального зондирования, например, методом лазер- ного зондирования, при котором на пленку направляется сфокусированный лазерный луч и измеряется изменение напряжения AV на пленке как функция положения луча (х, у). Типичный результат таких измерений для пленки VBaCuO при температуре 83 К представлен на фиг. 2. Наличие пиков на зависимости AV(x) свидетельствует о наличии хорошо проводящих каналов в пбликри- сталлической пленке VBaaCuaOy-S, расположенных ни характерной перколяционной длине L 100 мкм. При выборе размеров W, I, меньших перколяционной длины L, создаются благоприятные возможности для выделения в мостике одного наи- более проводящего пути и мостик, в отличие от обратного случая W, I L, не содержит внутренних, хорошо проводящих контуров, поэтому процессы захвата и последующего освобождения магнитного потока в таких мостиках практически отсутствуют. Естественным нижним пределом размеров мостика является размер зерна а. Выбор размеров f W, I, t L (в нашем случае а 0,5 мкм, w l 15 мкм, t 1 мкм, L 100 мкм) обеспечивает уменьшение шумов, связанных с захватом магнитного потока в области мостиков, с одной стороны, и повышение воспроизводимости характеристик мостиков, с другой стороны. Кроме того, использование в качестве электродов 3, 4, содержащих контур квантования СКВИД, монокристаллической пленки из-за существенно боле высоких значений магнитных полей, при которых в таких пленках происходит захват потока, позволяет также уменьшить шумы, наблюдаемые в поликристаллических СКВИД и связанные с взаимодействием магнитного потока в контуре СКВИД и входом/выходом магнитного потока в перколяционных контурах в поликри- сталлических электродах. При этом уменьшение шумов, даже при учете одной из причин, может составлять от до Фь /гц1/2Пример выполнения способа показан на фиг. 3. Сначала на всю подложку 5 из монокристаллического МдО напыляют поликристаллическую пленку МдО и в местах будущего расположения мостиков из поликристаллической пленки МдО с помощью фотографии формируют слои 6 и 7, с размерами w, I, не превосходящими перколяционной длины L в поликристаллической пленке из /Ва2СизО -Ј, образующейся на подложке из поликристаллического МдО (фиг. 3 и 4). Далее на подложку напыляют пленку VBa2Cu30y-S при условиях, обеспечивающих эпитаксиальный рост пленки на монокристаллическом формируют мостики 1 и 2, а также электроды 3 и 4 (фиг. 5 и 6). При этом на поликристаллическом МдО образуются мостики из поликристаллической пленки /Ва2Сиз07-(Г . Получаемые мостики имеют размеры w I 15 мкм, . t 1 мкм, чго больше размера зерна а 0,5 мкм в поликристаллической пленке УВааСизО - , но меньше перколяциоиной длины L 100 мкм в этой пленке, согласно изобретению.

Технико-экономические преимущества изобретения основаны на более высокой предельной чувствительности сверхпроводящих устройств из-за существенного, приблизительно на порядок, понижения уровня шумов, на существенном повышении стабильности их характеристики из-за устранения процессов входа/выхода магнитного потока в мостики и электроды устройства, а также па более высокой воспроизводимости характеристик устройств при массовом изготовлении за счет повышения размеров мостиков относительно размера зерна поликристаллического материала мостиков.

Формула изобретения

поликристаллического материала, отличающееся тем, что, с целью повышения уровня шумов, повышения стабильности работы и повышения воспроизводимости характеристик, электроды выполнены из монокристаллического материала, а ширина L, длина 1 и толщина t мостиков выбраны большими размера зерна поликристаллического материала мостика и не превышаю- щими перколяционную длину L в системе из межзеренных переходов в поликристаалли- ческом сверхпроводящем материале мостиков.

3

В

0

щийся о нанесении на изолирующую подложку пленки из сверхпроводящего материала и последующем формировании из нее мостиков и электродов, отличающий с я тем. что, с целью понижения уровня шумов, повышения стабильности работы и повышения воспроизводимости характеристик устройства, подложку - выполняют из монокристаллического материала, затем в местах будущего расположения мостиков наносят на нее поликристаллический изолирующий слой, после чего на всю подложку наносят сверхпроводящую тонкую пленку при условиях, обеспечивающих зпитакси- альный рост сверхпроводящей пленки на монокристаллической подложке.

/ 7

10

Фиг.1

Y//.//S//////////////;} 5

Фиг.З

zl

Фие.5

г