І
Работа выполнена в лаборатории 235 Института радиотехники и электроники Российской Академии Наук (ИРЭ РАН, Москва, Россия) и в департаменте квантовой электроники Федерального Физико-Технического центра (ПТБ, Брауншвейг, Германия).
і
РАЗРАБОТКА II ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХБАРЬЕРНЫХ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ СТРУКТУР И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СВЕРХПРОВОДНИКОВОЙ I ЭЛЕКТРОНИКЕ
Содержание
стр.
Введение 3
1. Основные соотношения в сверхпроводниковой электронике
1.1. Эффект Джозефсона и ПСБI модель 8
1.2. Классификация слабых связей 14
1.3. Основные соотношения микроскопической теории двухбарьерных джозефсоновских переходов 16
1.4. Параметры джозефсоновских переходов в различных технологиях 21
2. Технологический цикл изготовления сверхпроводниковых цифровых БОК схем и экспериментальная измерительная система
2.1. СИС технология изготовления джозефсоновских туннельных переходов с внешним шунтирующим резистором • * 25
2.2. СИНИС технология изготовления двухбарьерных джозефсоновских туннельных переходов
2.2.1. Технологические требования 28
2.2.2. Основные технологические процедуры 29
2.2.3. Последовательность технологических опрераций при изготовлении цифровых БОК схем на основе СИНИС переходов 33
2.3. Установка экспериментального тестирования микрочипов 39
3. Электрофизические свойства двухбарьерных джозефсоновских СИНИС переходов
3.1. Одиночные СИНИС контакты
3.1.1. Вольт-амперные характеристики 43
3.1.2. Зависимость плотности критического тока и характерного 45
напряжения контактов от параметров окисления туннельных барьеров
3.1.3. Величина гистерезиса на ВАХ переходов 49
3.1.4. Зависимость плотности критического тока и характерного 52
напряжения переходов от температуры
, 3.1.5. Зависимость характерного напряжения контактов от параметра 55
микроскопической теории уеп
3.1.6. Влияние внешнего микроволнового излучения 56
3.1.7. Переход во внешнем магнитном поле 59
-1 -
*
3.2.
3.3.
4.
I
4.1.
4.2.
4.2.1.
4.2.2.
4.2.3.
4.2.4.
Цепочки двухбарьерных переходов 62
Возможности и ограничения на применение СИНИС переходов 66
в схемах высокой степени интеграции
Сверхпроводниковые цифровые БОК схемы на основе СИНИС технологического процесса
Требования к параметрам элементов цифровых БОК схем 69
Исследование областей работоспособности цифровых БОК Преобразование одноквантовой формы представления 75
информации в потенциальную и обратное преобразование Высокочастотное исследование передачи и обработки 80
одноквантовых импульсов в БОК схемах на основе Т - триггера 8 - битный сдвиговый регистр 85
Детектирование редких сбоев в цифровых БОК схемах . 89
Заключение 94
Цитируемая литература 97
Список публикаций 104
-2-
Введение
Интерес, проявляемый к достижениям низкотемпературной сверхпроводниковой электроники, тесно связан с уникальностью физических процессов, лежащих в ее /основе, имеющих квантовомеханическую природу и с рекордными характеристиками криоэлектронных устройств по сравнению с их лучшими полупроводниковыми аналогами. В частности, цифровые сверхпроводниковые устройства демонстрируют сверхвысокое быстродействие (тактовая частота устройств порядка 150 ГГц), обладая при этом сверхмалым значением рассеиваемой мощности (< 1мкВт для элементарной логической ячейки). Последнее обстоятельство делает потенциально возможным достижение сверхвысоких плотностей упаковки элементов в цифровых сверх проводниковых схемах. Однако, повышение степени интеграции сверхпроводниковых схем требует поиска, разработки и исследования новых технологических решений для миниатюризации всех компонентов схем и определению оптимальных параметров для их использования в актуальных задачах криоэлектроники: метрологии, цифровой схемотехнике для сверхбыстрой обработки информации и т.д. Современная полупроводниковая электроника решает теже задачи, что отражено в прогнозах ведущих специалистов.
В обзоре [SEMATECH 2001] предсказывается, что дальнейшее развитие полупроводниковой технологии позволит расширить к 2013 году полосу рабочих частот цифровых микросхем высокой степени интеграции до 20 ГГц. Диапазон рабочих частот цифровых криоэлектронных устройств на основе прогнозов [Likharev 1997], [SCENET2001] достигнет величины 500 ГГц за тот же период, что наглядно демонстрирует конкурентоспособность сверхпроводниковой электроники на сегодняшний момент времени и в ближайшем будущем. Тем не менее, сильная конкуренция со стороны полупроводниковой технологии в вопросе достижения высоких степеней интеграции микросхем ограничивает применение криоэлектронных цифровых схем в практических задачах, что и отмечено в работе [Van Duzer 199В].
Концепция построения современных цифровых сверхпроводниковых устройств впервые была впервые предложена в работах [Likharev 1985], [Mukhanov 1985] и стала предметом детальных исследований многих исследовательских групп с 1991 года [Likharev 1991].
В цифровых криоэлектронных схемах на основе Быстрой ОдноКвантовой логики (БОК) хранение информации осуществляется с помощью кванта магнитного потока
Фо-И/(2е) в контуре двухконтактного квантового интерферометра постоянного тока. Передача информации от одного логического элемента к другому происходит в форме
постоянная Планка, е заряд электрона. Активными элементами цифровых БОК схем
являются Джозефсоновские переходы (контакты), обладающие однозначной (т.е.
безгистерезисной, fie* 1) вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Для активации
цифровых схем на основе БОК логики необходимо задание только постоянного тока
питания для каждого перехода в схеме на уровне /в = 0,75 Iq. Элементарные схемы БОК
логики способны генерировать, хранить и осуществлять передачу сверхкоротких
пикосекундных импульсов напряжения. Двоичное представление информации “1”
(”0”), следуя работе [Likharev 1991], осуществляется по следующей схеме: присутствие
информационного импульса между двумя последовательными тактовыми импульсами
■ кодируется как логическая “Iм, а отсутствие как логический ”0”. Пристальное
внимание к сверхпроводниковым цифровым БОК схемам вызвано как возможностью
.•
сверхбыстрого переключения активных элементов (типичное время переключения ~ 5 псек) при малой рассеиваемой мощности (< 1 мкВт), так и с практически бездисперсионным распространением одноквантовых импульсов напряжения по линиям передач. Диапазон рабочих температур криоэлсктронных цифровых устройств лежит в области температур 7'» 4,2 К из-за требования малости уровня тепловых флуктуаций.
Предельное быстродействие элементарных цифровых БОК схем может быть оценено на основе соотношения между частотой следования одноквантовых импульсов и возникаемым средним напряжением на переходе /с = Vc/Фэ, где Vc значение
характерного напряжения джозефсоновского перехода [Likharev 1991]. В свою очередь, характерное напряжение зависит от параметров конкретного джозефсоновского перехода Vc = /c-/?n, где 1с и Ru величина критического тока и нормальное сопротивление контакта, что наглядно свидетельствует о влиянии параметров активных элементов БОК схем на предельное быстродействие схемы в целом. В цифровых БОК схемах высокой степени интеграции (>1000 активных элементов) предельное быстродействие, как было показано в работе [Kaplunenko 1995], ( ограничено следующим соотношением./^ = 0»3*(Рс/Ф>).
Развитие современной сверхпроводниковой цифровой схемотехники, как было отмечено в работах [Kupriyanov 1999], [Buchholz2001], [Niemeyer 2002], тесно связано
импульса напряжения квантованной площади
-4-
с повышением существующего уровня степени интеграции сверхпроводниковых микрочипов. Одним из наиболее детально разработанных, исследованных и широко применяющихся технологических процессов изготовления джозефсоновских переходов, обладающих безгистерезисной ВАХ, является процесс изготовления . туннельных джозефсоновских переходов на основе тонкопленочного технологического процесса Nb/Al с шунтирующим резистором из нормального материала. Этот технологический процесс демонстрирует хорошую воспроизводимость и малый разброс параметром у туннельных переходов, но ряд принципиальных проблем ограничивает, возможность повышения степени интеграции у цифровых БОК схем на его основе. Наличие внешнего шунтирующего резистора у туннельных контактов не позволяет эффективно повышать степень интеграции микрочипов и, кроме того, ограничивает область рабочих часто БОК схем из-за присутствия паразитных индуктивностей в петле шунтирующего резистора, фиксируя ее на уровне а>~ R&JL где со- частота следования одноквантовых импульсов, L значение паразитной индуктивности, i?sh величина шунтирующего резистора.. Таким образом, наиболее перспективным технологическим подходом для решения проблемы повышения степени интеграции цифровых БОК схем является разработка и применения новых типов джозефсоновских контактов, обладающих механизмами внутреннего шунтирования, что позволяет эффективно уменьшать размер элементарной ячейки и всего микрочипа в целом. На данный момент времени потенциально привлекательными являются три типа джозефсоновских переходов с точки зрения их возможного применения в цифровой БОК схемотехнике и обладающих однозначными ВАХ без внешнего шунтирования:
- сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник (СНС) [Benz 1995], [Burroughs 1999], [Fritzsch 1998, 1999], [Hagedorn 2002], [Lacquaniti 1999],
[Moseley 1999], [Pöpel 2000a, 2000b], [Sachse 1997],
- сверхпроводник-изолятор-сверхпроводннк (СИС) с высокими значениями плотностей критических токов (je > 100 kA/смг) [Chen 1998, 1999], [Patel 1999],
- сверхпроводник-изолятор-нормальный металл-изолятор-свсрхпровод!ШК (СИНИС) [Bchr 1999], [Brinkman 2001], [Capogna 1996], [Cassel 2001], [Kupriyanov 1988, 1999], [Maezawa 1997a], [Niemeyer 2002], [Schulze 1998a, 1998b], [Sugiyama 1997].
Возможное применение СНС контактов в сверхпроводниковой цифровой , схемотехнике ограничено сравнительно низким значением характерного напряжения у них (Ус » 20 мкВ,^с = Vc/Фо * 10 ГТц). Это обстоятельство не позволяет рассматривать их как многообещающих конкурентов современной полупроводниковой
-5-
микротехнологии. СИС переходы со сверхвысокими значениями плотностей критических токов, обладая высокими значениями характерного напряжения (Vc» 1 мВ) предъявляют экстремально высокие требования как к субмикронному технологическому процессу изготовления джозефсоновских переходов, так и к используемому технологическому оборудованию. Кроме того, существующий разброс параметров СИС переходов со сверхвысокой плотностью тока существенно ограничивает их применение в цифровых БОК схемах высокой степени интеграции.
Наиболее многообещающими кандидатами для применения в цифровых сверхпроводниковых БОК схемах высокой степени интеграции являются двухбарьерные джозефсоновские СИНИС контакты, обладающие одновременно и механизмом внутреннего шунтирования, - и высоким значением характерного напряжения. Эти качества СИНИС переходов делают их потенциально привлекательными для применения в цифровых БОК схемах высокой степени интеграции.
Другая сфера активного применения двухбарьерных СИНИС контактов лежит в области метрологии, а именно в реализации стандартов напряжения. Стандарты напряжения на основе СИНИС переходов обладают значительно более высокой стабильностью ступеней Шапиро к хаотическому поведению по сравнению со схемами на основе туннельных СИС контактов [Kautz 1995], а также позволяют осуществлять однозначный выбор ступени напряжения (другими словами ступени Шапиро) в широком диапазоне токов питания микросхемы. Эти качества, демонстрируемые двухбарьерными СИНИС переходами, позволяют разрабатывать и реализовывать на их основе не только концепции стандартов напряжения, но также и полностью программируемых стандартов напряжения [Hamilton 1995], [Benz 1995, 1997],
[Niemeyer 2001], [Kohlmann 2001].
Анализируя вышесказанное, мы можем заключить, что исследование электрофизических параметров двухбарьерных джозефсоновских СИНИС структур и разработка технологического процесса для их применения в цифровых БОК схемах является одной из актуальных задач современной сверхпроводниковой электроники. Основной целью представленной работы являлось проведение комплексного исследования двухбарьерных джозефсоновских СИНИС контактов и возможности их применения в цифровой криоэлектронике на основе БОК логики. В соответствии с поставленной целью задачами работы являлись:
- Київ+380960830922