СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ стр...
171 Область исследования.................................... 5
П2 Порядок изложения материала............................. 7
ПЗ Основные положения, выносимые на защиту..................9
П4 Вопросы авторства и публикация результатов.............. 12
П5 Аннотация...............................................14
Глава 1 Введение
1.1 Основы сверхпроводни ковой электроники..................16
1.2 Краткий обзор развития технологии СИС переходов.........25
1.3 Устройства сверхпроводниковой электроники...............28
1.4 Постановка задачи.......................................35
Глава 2 Технология изготовления СИС переходов на основе структуры Nb/Al-AlOx/Nb
2.1 Технологический маршрут и режимы изготовления СИС
переходов..............................................36
2.2 Основные этапы изготовления СИС переходов
2.2.1 Фотолитография..................................40
2.2.2 Напыление тонких пленок.........................48
2.2.3 Электролитическое анодирование..................51
2.2.4 Реактивное ионное травление (RJE)...............54
2.3 Оборудование для изготовления СИС переходов.............55
2.4 Система измерения электрофизических параметров..........63
2
Глава 3 Разработка технологии изготовления малошумящих СИС приемников для радиоастрономических исследований
3.1 Основные требования к параметрам смесительных СИС
переходов..............................................68
3.2 Оптимизация технологии изготовления СИС переходов
для СВЧ применения.....................................70
3.3 СИС структуры для волноводных смесителей мм
диапазона длин волн....................................76
3.4 Разработка технологии изготовления СИС переходов на
кварцевых подложках....................................82
3.5 Квазиоптический приемник на основе туннельного СИС
перехода...............................................86
3.6 Выводы по Главе 3......................................90
Глава 4 Интегральные сверхпроводниковые структуры
4.1 Интегральный сверхпроводниковый приемник (СИП).........91
4.2 Микросхема интегрального приемника.....................93
4.2.1 Технология изготовления микросхемы СИП...........96
4.2.2 Особенности RIE процесса при формировании перехода методом «крест»...............................102
4.2.3 Оптимизация края пленок микрополосковой линии... 104
4.2.4 Экспериментальное исследование интегрального приемника..............................................112
4.3 Приемник с балансным СИС смесителем...................113
4.4 Примеры применения чипов интегрального приемника......116
4.5 Интегральный сверхпроводниковый спектрометр для
проекта TELIS.........................................118
4.5.1 Технология изготовления микросхем интегрального
приемника для проекта TELIS......................121
3
4.5.2 Оптимизация процессов изготовления СИС
переходов субмикронных размеров................125
4.6 СИП на основе структуры Nb/Al-AlN/NbN................130
4.7 Технология изготовления микросхем интегрального
приемника, объединяющая структуры с разными плотностями тока на одном чипе.......................134
4.8 Выводы по Главе 4....................................137
Глава 5 Детекторы рентгеновского излучения на основе туннельных переходов
5.1 Общие требования к разработке СТП-детекторов ........140
5.2 Микросхемы для испытания СТП-детекторов .............146
5.3 Методика изготовления СТП-детекторов.................152
5.4 Экспериментальные характеристики СТП-детекторов......161
5.5 Выводы по Главе 5....................................174
Глава 6 Новые методы формирования СИС переходов
6.1 Концепция метода химико-механической полировки
(СМР) ...............................................175
6.2 Формирование СИС переходов субмикронного размера
методами СМР и электронно-лучевой литографии.........177
6.3 Исследование способов формирования многоэлементных
схем.................................................183
6.4 Выводы по Главе 6....................................189
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные результаты диссертации.....................190
Публикации по теме диссертационной работы.......................192
Цитированная литература.........................................212
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
П.1. Область исследования.
Туннельные переходы сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) являются основными элементами большинства устройств сверхпроводниковой электроники. Однако, отсутствие технологии, позволяющей изготавливать туннельные СИС переходы с воспроизводимыми параметрами и выдерживающими многократные термоциклирования, долгое время препятствовало практическому применению СИС переходов и структур на их основе. В начале 80-х годов началось исследование СИС переходов на основе тугоплавких материалов, что сделало возможным широкое применение таких структур для приема и обработки сигналов малой мощности.
СИС структуры на основе нелинейной зависимости тока квазичастиц от напряжения являются наиболее перспективными элементами для создания высокочувствительных приемных устройств при проведении радиоастрономических наблюдений. Приемники на основе туннельных СИС переходов обладают самой низкой шумовой температурой в диапазоне 100 -1000 ГГц. Это объясняется как чрезвычайно высокой нелинейностью сверхпроводниковых элементов, так и их предельно низкими собственными шумами, обусловленными природой элементов и криогенной рабочей температурой. Для реализации предельных параметров СИС приемников требуются туннельные переходы с высокой плотностью тока, низкими токами утечки и малым размытием щелевого напряжения, изготовленные целиком из тугоплавких материалов. Для согласования таких переходов с внешней электродинамической системой необходимо использовать переходы субмикронных размеров.
В ИРЭ РАН была предложена концепция сверхпроводникового интегрального приемника (СИП). На одной микросхеме размещаются
5
приемная антенна, квантовый СИС смеситель на квазичастичной нелинейности туннельного перехода и сверхпроводниковый генератор гетеродина (ФФО). Интегральные приемники крайне перспективны для радиоастрономии, мониторинга окружающей среды, осуществляемого с борта спутников или специальных самолетов, а также медицинской диагностики и систем безопасности. Первым практическим применением СИП является проект ТЕ1Л8, направленный на изучение распределения примесных газов в атмосфере с борта высотного аэростата. Поэтому весьма актуальной явилось задача создания технологии изготовления многослойных СВЧ микросхем, объединяющих различные сверхпроводниковые элементы в единое устройство.
СИС переходы весьма перспективны для детектирования рентгеновского и мягкого гамма-излучения, так как они обладают более высоким энергетическим разрешением по сравнению с лучшими полупроводниковыми детекторами и уже используются для рентгенофлюоресцентного анализа в материаловедении, в астрономии и других приложениях. Рекордные характеристики таких устройств связаны с существенно большим числом носителей тока (к ваз и частиц), возникающих в сверхпроводнике при поглощении кванта излучения по сравнению с традиционными полупроводниковыми детекторами. Однако, для реализации высокого энергетического разрешения необходимы туннельные переходы с одним активным электродом, в которых отклик другого подавлен благодаря действию слоя-ловушки.
Для реализации предельных параметров СИС приемников и их продвижения в область терагерцовых частот необходимы туннельные
л
переходы, площадь которых существенно меньше 1 мкм . Это требует' разработки принципиально новых методов формирования таких структур и оптимизации режимов их изготовления. Кроме того, для большинства перспективных применений нужны сложные многоэлементные микросхемы
6
с малым разбросом параметров и воспроизводимыми характеристиками. На решение перечисленных выше задач и была направлена данная диссертационная работа.
П2. Порядок изложения материала.
Глава 1 носит обзорный характер. В ней дано описание физических процессов, лежащих в основе эффекта Джозефсона. Подробно описаны переходы сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС переходы), которые являются основным элементом сверхпроводниковой электроники и являются главным объектом исследования данной диссертационной работы. Дается краткий обзор развития технологии изготовления СИС переходов. Рассматриваются различные устройства сверхпроводниковой электроники на основе СИС переходов.
Глава 2 посвящена описанию технологического маршрута изготовления СИС переходов на основе Nb/Al-AlOx/Nb. Детально рассмотрены ключевые этапы формирования СИС переходов: фотолитофафия, напыление пленок, анодизация, реактивно-ионное травление; даются режимы изготовления.
Глава 3 посвящена разработке технологии изготовления СИС смесителей для радиоастрономических наблюдений. Представлены результаты оптимизации напыления тонких пленок ниобия. Обсуждаются особенности изготовления СИС переходов на кварцевых подложках.
Глава 4 посвящена разработке технологии изготовления микросхем сверх проводникового иптефального приемника (СИП). Представлены результаты оптимизации изготовления СИС переходов субмикронного размера. Описана технология изготовления микросхем СИП на основе туннельных переходов Nb/Al-AlN/NbN, объединяющая структуры с разными плотностями тока на одном чипе.
7
Глава 5 посвящена исследованию детекторов рентгеновского излучения на основе туннельных переходов. Предложена конструкция и оптимизирована технология изготовления сверхпроводящих туннельных детекторов рентгеновского излучения на основе многослойной структуры Т1/КЬ/А1-А10х/А1/ЫЬ/ЫЬЫ.
Глава 6 посвящена новым методам формирования СИС переходов субмикронного размера с помощью химико-механической полировки и электронно-лучевой литографии. Исследованы способы формирования многоэлементных схем.
8
ПЗ. Основные положения, выносимые на защиту.
1. Проведено исследование по оптимизации технологии изготовления высококачественных туннельных переходов Nb/Al- AlOx/Nb микронного размера. Найдены условия, при которых механические напряжения в пленках Nb минимальны; изготовлены СИС переходы с отношением сопротивления под и над щелью (характеристика качества туннельного перехода) Rj/Rn > 40. Использование изготовленных автором приемных структур позволило получить шумовую температуру приемника 70 К на частоте 100 ГГц. Разработана технология изготовления СИС переходов на кварцевых подложках для использования их в волноводных смесителях, что позволило создать серию малошумящих приемников, успешно используемых на радиотелескопах Онсала (Onsala, Швеция) и Метсахови (Хельсинки, Финляндия).
2. Создана технология изготовления СИС переходов субмикронного размера для многослойных СВЧ микросхем, работающих в диапазоне частот 100-700 ГГц. Данная технология позволяет получать СИС переходы с плотностью тока до 10 кА/см“, размытием щелевой особенности 8Vg < 150 мкВ и разбросом параметров по подложке порядка 10%. Впервые изготовлена микросхема сверхпровод пикового интегрального приемника (СИП), объединяющая в себе СИС смеситель с квазиоптической антенной и сверхпроводящий генератор на потоке джозефсоновских вихрей, шумовая температура которого на частоте 480-520 ГГц составила 100К. Разработана технология изготовления микросхем интегрального приемника, позволяющая объединять структуры с разными плотностями тока на одном чипе.
3. Разработана технология изготовления интегральных
сверхпроводниковых СВЧ микросхем на основе туннельных переходов
9
]ЧЬ/А1-А1М/МЫЧ. Микросхема сверхпроводникового интегрального спектрометра субмиллиметровых волн представляет собой однокристальную СВЧ микросхему СИП, в которую для фазовой синхронизации частоты гетеродина включен гармонический смеситель. Были изготовлены и исследованы микросхемы спектрометра нового поколения, удовлетворяющие всем требованиям проекта по дистанционному исследованию атмосферы с борта высотного аэростата в диапазоне 500 — 650 ГГц (проект ТЕ1ЛБ, выполняемый совместно с Институтом космических исследований Голландии). Для бортового интегрального приемника реализована шумовая температура менее 120 К (ПБВ), полоса ПЧ 4 - 8 ГГц, спектральное разрешение лучше 1 МГц. Первый тестовый полет проведен в июне 2008 г. на полигоне Терезина в Бразилии.
4. Предложена конструкция и оптимизирована технология изготовления сверхпроводящих туннельных детекторов рентгеновского излучения на основе многослойной структуры Т1/МЬ/А1-АЮх/А1/№/ЫЬЫ с одним активным электродом, в которых отклик другого подавлен благодаря действию слоя-ловушки из титана. Показано, что использование подслоя из П не нарушает микроструктуру вышележащих слоев и дает возможность получать высококачественные переходы большой площади с параметром качества И) (У=0.5 шУ)/Кп > 10 000 (при Т = 1.3 К). Наилучшее энергетическое разрешение, измеренное в НИИЯФ МГУ для детектора площадыо 6400 мкм", составило 78 эВ при вкладе электронных шумов 50 эВ. Сигнал пассивного электрода в 8 раз меньше сигнала активного электрода.
5. Разработаны новые методы формирования СИС переходов
субмикронных размеров и многоэлементных структур на их основе. С помощью методов электроннолучевой литографии и химикомеханической полировки изготовлены и измерены туннельные
10
переходы с площадью перехода вплоть до 0.03 мкм2 и Ху/Яп >10. Исследованы способы формирования многоэлементных схем средней степени интеграции с числом элементов до 1000. Покачано, что с помощью разработанного автором технологического процесса возможно изготовление цепочек туннельных переходов с разбросом основных параметров не превышающих 2% для п= 100 и 3.5% для п = 1000.
11
П.4. Вопросы авторства и публикация результатов.
В работах [А1, А6 - 7, А10] автором проведены исследования по оптимизации технологии изготовления высококачественных туннельных переходов МЬ/А1-АЮх/ЫЬ микронного размера. Найдены условия, при которых механические напряжения в пленках №> минимальны и изготовлены СИС переходы с отношением сопротивления под и над щелью (характеристика качества ту ннельного перехода) > 40. Найденные
условия и режимы напыления использовались автором для изготовления туннельных переходов с плотностью тока до 10 кА/см“, размытием щелевой особенности 6\^ < 150 мкВ и разбросом параметров по подложке порядка 10 % для различных сверхпроводниковых устройств (приемников, СКВИДов и цифровых схем) [А2, Л4 - 5, А8, А13, А43, А49 - 50]. Это позволило создать ряд практических устройств, в частности серию малошумящих приемников [АЗ, А9, А12 - 20, А26-36, А44, А47, А56 - 59], успешно
используемых на радиотелескопах Оисала (Опза1а, Швеция) и Метсахови (Хельсинки, Финляндия) [А117].
Созданная и оптимизированная автором технология изготовления СИС переходов субмикронного размера и многослойных СВЧ микросхем на их основе описана в работах [А88, АН]; в работах по созданию приемных устройств на базе этих микросхем (в том числе микросхем спектрометра нового поколения для международного проекта по дистанционному исследованию атмосферы с борта высотного аэростата) [А23 - 25, А37 - 39, А45 -46, А51-55, А60 - 72, А89-96, А98 - 100, А104, А106 - 109, А118 -121, А124- 134] автором проведено изготовление и предварительное тестирование микросхем интегрального приемника.
В работах [А102, А103] автор принимал участие в оптимизации технологии и изготовлении экспериментальных образцов.
В работах [А97, А101, А105, А112 - 116, А122, А123] автором предложена и апробирована новая технология изготовления сверхпроводящих туннельных детекторов рентгеновского излучения на
12
основе многослойной структуры Ti/Nb/Al-AlOx/Al/Nb/NbN с одним активным электродом, в которых отклик другого подавлен благодаря действию слоя-ловушки из титана. В работе [А92] автором были разработаны и проверены новые методы формирования СИС переходов субмикронных размеров с помощью методов электроннолучевой литографии и химико-механической полировки.
Работы автора докладывались на международных и российских конференциях: Applied Superconductivity Conference (ASC’ 1988, 1990, 92, 94, 96, 98, 2000, 02, 04, 06), International Superconductive Electronics Conference (ISEC’ 1991, 93, 95, 99, 2005, 2007), International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT 1993, 95, 96, 97, 98, 99, 2000, 02, 03, 05, 07, 08), European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS’ 1993, 97, 2003, 2005) и публиковались в ведущих специализированных изданиях: Physical Review Letters, Applied Physics Letters, Physical Review B, Physica B, Physica C, Superconductor Electronics, Superconductor Science and Technology, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, ЖТФ, «Радиотехника и электроника», «Приборы и техника эксперимента», «Известия ВУЗов. Радиофизика» и другие. Всего по результатам работы подготовлено более 130 публикаций (статей и тезисов конференций), список основных публикаций приведен ниже. Эти публикации хорошо известны специалистам, на них имеются многочисленные ссылки в научной периодике. Публикации по материалам диссертации полностью отражают ее содержание.
13
П5. Аннотация.
Представлен цикл работ по оптимизации технологии изготовления стабильных и воспроизводимых туннельных переходов на основе структуры ЫЬ/АГАЮх/ЫЬ микронного размера; изготовлены СИС переходы с отношением сопротивления под и под щелью (характеристика качества туннельного перехода) Гу/Яп > 40. Использование изготовленных автором приемных структур позволило получить шумовую температуру приемника 70 К на частоте 100 ГГц. Автором разработана технология изготовления СИС переходов на кварцевых подложках, что позволило создать серию малошумящих приемников, успешно используемых на радиотелескопах Онсала (Швеция) и Метсахови (Финляндия).
Создана технология изготовления СИС переходов субмикронного размера для многослойных СВЧ микросхем, работающих в диапазоне частот 100-700 ГГц. Данная технология позволяет получать СИС переходы с плотностью тока до 10 кА/см, размытием щелевой особенности 5\^ < 150 мкВ и разбросом параметров по подложке порядка 10 %. Впервые изготовлена микросхема сверхпроводиикового интегрального приемника (СИП), объединяющая в себе СИС смеситель с квазиоптической антенной и сверхпроводящий генератор на потоке джозефсоновских вихрей, шумовая температура которого на частоте 480 - 520 ГГц составила 100 К. Разработана технология изготовления микросхем интегрального приемника,
объединяющая структуры с разными плотностями тока на одном чипе.
Были изготовлены и исследованы микросхемы спектрометра нового поколения, удовлетворяющие всем требованиям проекта по дистанционному исследованию атмосферы с борта высотного аэростата в диапазоне 500 -650 ГГц (проект ТЕЫБ, выполняемый совместно с Институтом космических исследований Голландии). Для бортового интегрального приемника реализована шумовая температура менее 120 К (ИБВ), полоса Г1Ч 4-8 ГГц, спектральное разрешение лучше 1 МГц. Первый тестовый полет проведен в июне 2008 г. на полигоне Терезина в Бразилии.
14
Впервые предложена конструкция и разработана технология изготовления сверхпроводящих туннельных детекторов рентгеновского излучения на основе многослойной структуры Т1/МЪ/А1 -А1 Ох/АШМЬ/ЫЬК с одним активным электродом, в которых отклик другого подавлен благодаря действию слоя-ловушки из титана.
Разработаны новые методы формирования СИС переходов субмикронных размеров и многоэлементных структур на их основе. С помощью методов электроннолучевой литографии и химико-механической полировки изготовлены и измерены туннельные переходы с площадью перехода вплоть до 0.03 мкм и ^/Кп > 10.
15
Глава 1. Введение
Явление сверхпроводимости было открыто еще в 1911 году, однако сверхпроводниковая электроника зародилась только в 1960-е годы после открытия эффекта Джозефсона. Этот эффект был теоретически предсказан в 1962 году, а спустя два года подтвержден экспериментально в работе И.К.Янсона, В.М. Свистунова и И.М. Дмитренко, которые впервые наблюдали так называемую джозефсоновскую генерацию. Квантовый макроскопичский эффект Джозефсона, описывающий своеобразные нелинейные процессы протекания сверхпроводящего и быстро
осциллирующего тока куперовских пар через слабые связи, позволил создать целый класс сверхпроводниковых приборов для приема и обработки информации.
1.1 Основы свсрхпроводннковой электроники.
Физические объекты, в которых имеет место эффект Джозефсона, сейчас принято называть джозефсоновскими переходами, или джозефсоновскими контактами. Они являются элементной базой сверхпроводниковой электроники. Джозефсоиовские переходы представляют собой некоторую слабую связь между двумя
сверхпроводниками. Наиболее часто используемые на практике типы слабой связн - это: 1) туннельные переходы, в которых связь между двумя пленочными сверхпроводниками осуществляется через очень тонкий (десятки ангстрем) слой изолятора между ними - СИС структуры;
2) «сандвичи» - два пленочных сверхпроводника, взаимодействующие чрез тонкий слой (сотни ангстрем) нормального металла - СНС структуры;
3) структуры типа мостик, представляющие собой узкую сверхпроводящую перемычку (мостик) ограниченной длины между двумя массивными сверхпроводящими электродами [1,2].
16
Совокупность экспериментальных фактов о сверхпроводимости убедительно показывает, что при охлаждении ниже Тс проводник переходит в новое состояние, качественно отличающееся от нормального. Исследуя различные возможности объяснения свойств сверхпроводника, особенно эффекта Мейснера, немецкие учёные, работавшие в Англии, Г. и Ф. Лондоны (1934) пришли к заключению, что сверхпроводящее состояние является макроскопическим квантовым состоянием металла. На основе этого представления они создали феноменологическую теорию, объясняющую поведение сверхпроводников в слабом магнитном поле — эффект Мейснера и отсутствие сопротивления. Обобщение теории Лондонов, сделанное Гинзбургом и Ландау (1950), позволило рассмотреть вопросы, относящиеся к поведению сверхпроводников в сильных магнитных полях. При этом было объяснено огромное количество экспериментальных данных и предсказаны новые важные явления. Убедительным подтверждением правильности исходных предпосылок упомянутых теорий явилось открытие эффекта квантования магнитного потока, заключённого внутри сверхпроводящего кольца. Из уравнений Лондонов следует, что магнитный поток в этом случае может принимать лишь значения, кратные кванту потока Ф0 = hc/e* где е* — заряд носителей сверхпроводящего тока, h — постоянная Планка, с — скорость света. В 1961 Р. Долл и М. Небауэр их [3], независимо, Б. Дивер и У. Фейроенк (США) [4] обнаружили этот эффект. Оказалось, что е* = 2е, где е — заряд электрона. Найденная в опытах величина заряда частиц, создающих своим движением сверхпроводящий ток (е* = 2е), подтверждает эффект Купера, на основе которого в 1957 Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер (США) и H.H. Боголюбов (СССР) построили последовательную микроскопическую теорию сверхпроводимости [5]. Согласно Куперу, два электрона с противоположными спинами при определённых условиях могут образовывать связанное состояние (куперовскую пару). Заряд такой пары равен 2е. Пары обладают нулевым
17
значением спина. В отличие от нормальных электронов, имеющих спин У2 и поэтому подчиняющихся статистике Ферми-Дирака, куперовские пары подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и конденсируются на одном, нижнем энергетическом уровне. Средний размер куперовской пары, называемый длиной когерентности
где И/- - скорость электронов на поверхности Ферми (~ 108 см/с), а Д(Т) -характерная энергия связи электронов в паре, называемая шириной энергетической щели. Характерной особенностью куперовских пар является их относительно большой размер (порядка 100 нм), намного превышающий среднее расстояние между парами (порядка межатомных расстояний). Такое сильное пространственное перекрытие пар означает, что вся совокупность (конденсат) куперовских пар описывается в квантовой механике единой волновой функцией. При Т= 0 связаны в пары все электроны проводимости. Энергия связи электронов в паре весьма мала: она равна примерно 3,5 кГ*, где к — постоянная Больцмана. Для типичных сверхпроводников (свинца, ниобия с ТС~10К) А имеет порядок 1-2 мэВ. При разрыве пары, происходящем, например, при поглощении кванта электромагнитного поля или кванта звука (фонона), в системе возникают возбуждения. При отличной от нуля температуре имеется определённая равновесная концентрация возбуждений, она возрастает с температурой, а концентрация пар соответственно уменьшается. Энергия связи пары определяет так называемую щель в энергетическом спектре возбуждений, то есть минимальную энергию, необходимую для создания отдельного возбуждения. Природа сил притяжения между электронами, приводящих к образованию пар, вообще говоря, может быть различной, хотя у всех известных сверхпроводников эти силы определяются взаимодействием электронов с фононами.
18
Наличие слабой электрической связи между сверхпроводящими электродами обусловлено слабым перекрытием волновых функций куперовских пар электродов, в результате чего такой контакт также является сверхпроводящим, однако значение плотности его критического тока намного (на несколько порядков) меньше плотности критического тока электродов jc *403 А/cm2. Для СИС и СНС структур плотность критического тока джозефсоновских переходов обычно лежит в диапазоне jk от 101 до
^ л
10 A/cm , а их площадь S в рамках современной технологии может быть сделана от нескольких сот до долей квадратного микрона. Поэтому критический ток таких джозефсоновских элементов Ic =jk S может быть от нескольких миллиампер до нескольких микроампер.
В целом можно отметить три следствия проявления квантовой когерентности бозс-конденсата куперовских пар в макроскопическом масштабе: сам факт наличия сверхтока в сверхпроводнике, эффект
Джозефсона в слабых связях сверхпроводников [6] и эффект квантования магнитного потока.
Величина постоянного сверхтока Is через джозефсоновский переход является периодической функцией разности фаз волновых функций электродов ф = X/ “ Х?> называемой джозефсоновской фазой. Таким образом,
Is = Ic‘sin ф, (1)
где 1С — критический ток контакта, зависящий от физической природы и размеров слабой связи.
При отсутствии тока через джозефсоновский переход ф - 0 (с точностью до 27т), а при протекании максимального сверхтока, равного 1с, джозефсоновская фаза ф = п/2. При протекании постоянного тока / < /с напряжение на контактах равно нулю. Это явление носит название стационарного эффекта Джозефсона.
Нестационарный эффект Джозефсона ( с1ф/& 7^0 ) имеет место, когда, например, через джозефсоновский переход пропускается ток I > 1с. В этом
19
случае в переносе тока I через джозефсоновский переход кроме сверхтока Is будет участвовать также нормальная компонента /„ , которая представляет собой ток нормальных электронов. Протекание нормальной и, следовательно, диссипативной компоненты тока обуславливает появление на джозефсоновском переходе падения напряжения
F-/A, (2)
где Rn - сопротивление перехода в нормальном состоянии, определяемое геометрическими размерами структуры, прозрачностью ее границ и электрическими свойствами материала слабой связи. В силу основного соотношения Джозефсона
d<p/dt = 2eV/h, (3)
в этом случае будут иметь место периодическое изменение во времени
сверхтока Is. Таким образом, сверхток осциллирует с джозефсоновской
частотой:
/= 2eV/h (4)
Напряжение на джозефсоновском элементе V(t) = I„(t)Rn также будет осциллировать во времени с частотой f и этот процесс носит название джозефсоновской генерации.
Основными типами источников флуктуаций в джозефсоновских переходах являются тепловые, дробовые и внешние («наводка»). Их описывает флуктуационная компонента тока 1/Т).
В случае, если не только V, но и производная dV/dtjt), становится существенным ток смещения:
ID = О dV/dt, (5)
где С - собственная емкость перехода, степень влияния которой на процессы в джозефсоновских структурах определяется параметром [7,8]:
13 = (2е/П) • /А С, (6)
20
- Київ+380960830922