автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Изготовление и свойства эпитаксиальных пленочных гетероструктур на основе высокотемпературного сверхпроводника YBa2 Cu3 O x

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

МОЖАЕВ Петр Борисович

ИЗГОТОВЛЕНИЕ И СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА УВа2Си3Ох

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Научный руководитель д.ф.-м.н., в.н.с. Г.А. Овсянников

Москва 1998

Содержание.

Введение........................................................................................................стр. 4

Глава 1. Эпитаксиальные пленочные гетероструктуры на основе

УВа2Си3Ох............................................................................................стр. 6

1.1. Структура и свойства УВа2Си3Ох..........................................................стр. 6

1.2. Методики осаждения пленок металлооксидных

сверхпроводников..............................................................................стр. 11

1.3. Эпитаксиальные тонкие УВСО пленки..............................................стр. 16

1.4. Применения УВСО пленок в сверхпроводниковой электронике .. стр. 25

Глава 2. Методики осаждения эпитаксиальных пленок УВСО и

изучения их свойств..........................................................................стр. 34

2.1. Осаждение пленок УВСО распылением на постоянном токе при

высоком давлении...........................................стр. 34

2.2. Осаждение пленок УВСО методом лазерного распыления............стр. 39

2.3. Методики изучения электрофизических свойств УВСО..................стр. 50

2.4. Методики изучения структуры пленок УВСО..................................стр. 58

Глава 3. Осаждение эпитаксиальных пленок УВСО................................стр. 63

3.1. Осаждение эпитаксиальных пленок УВСО методом распыления на постоянном токе при высоком давлении....................................................стр. 63

3.2. Осаждение эпитаксиальных пленок УВСО методом лазерного

распыления..........................................................................................стр. 69

3.3. Сравнение пленок УВСО, полученных различными методами.. .. стр. 80

3.4. Напыление эпитаксиальных пленок УВСО в смеси аргона

и кислорода..........................................................................................стр. 83

3.5 Осаждение пленок №Ва2Си307..............................................................стр. 91

Глава 4. Пленочные эпитаксиальные гетероструктуры

УВС0/Се02/А1203....................................................стр. 94

4.1. Свойства эпитаксиального буферного слоя Се02 на сапфире

(г-плоскость)......................................................................................стр. 95

4.2. Совместное осаждение эпитаксиальных тонких пленок

УВСО и Се02......................................................................................стр. 97

4.3. Переход Джозефсона на ступеньке, сформированной

в буферном слое окиси церия..........................................................стр. 104

Глава 5. Многослойные эпитаксиальные пленочные гетероструктуры

с межслойным торцевым контактом................................................стр. 113

5.1. Осаждение пленок УВСО на подложки с наклонной осью.........стр. 113

5.2. Ионно-лучевое травление через маску.........................стр. 118

5.3. Джозефсоновский торцевой контакт УВСО/ЫЬ^ТО/УВСО

с наклонным торцом..................................................стр. 122

5.4. Джозефсоновский торцевой контакт УВСО/РВСвО/УВСО

с наклонным торцом..........................................................................стр. 127

Основные результаты работы..................................................................стр. 135

Список публикаций автора по теме диссертации................................стр. 137

Список цитированной литературы..........................................................стр. 139

Введение.

Получение и исследование эпитаксиальных пленочных гетероструктур представляет значительный интерес в как для изучения свойств материалов и их взаимодействия, так и для изготовления электронных приборов. Появление высокотемпературных металлооксидных сверхпроводников (ВТСП) позволило значительно расширить область возможных применений явления сверхпроводимости, в том числе в электронике. Вместе с тем сложность структуры ВТСП, их многоэлементный состав, существенно затрудняют получение пленок ВТСП с высоким качеством кристаллической структуры. Наличие дефектов особенно сильно сказывается на пленках ВТСП из-за малой длины когерентности сверхпроводящих носителей. Задача получения пленок ВТСП с низким содержанием дефектов является важной как для выяснения природы высокотемпературной сверхпроводимости, так и для практического использования пленок в сверхпроводниковой электронике.

Устройства сверхпроводниковой электроники, основанные на эффекте Джозефсона, могут применяться для приема и обработки электромагнитных сигналов в частотных диапазонах от долей герца до десятков терагерц. Создание таких приборов требует разработки технологии изготовления многослойных структур на основе сверхпроводников. Эпитаксиальные гетероструктуры обеспечивают высокое кристаллическое качество верхних слоев, что позволяет добиваться высоких сверхпроводниковых свойств многослойной структуры в целом. Кроме того, высокая анизотропия пленок ВТСП требует строгой взаимной ориентации фрагментов пленки и различных слоев для достижения требуемых сверхпроводниковых свойств, что также наиболее легко осуществимо в эпитаксиальных гетероструктурах. Среди ВТСП с критической температурой около 100 К наименьшей анизотропией обладает семейство материалов со структурой УВа2Си3Ох (УВСО), что делает предпочтительным использование этих материалов для

пленочной электроники. Таким образом, эпитаксиальные гетероструктуры на основе УВСО являются естественным выбором при изготовлении приборов сверхпроводниковой электроники на основе ВТСП.

Целью настоящей работы являлось изучение морфологических, кристаллических и электрофизических свойств многослойных эпитаксиальных гетероструктур на основе УВСО, пригодных для изготовления ВТСП джозефсоновских переходов и оптимизация параметров их изготовления.

Глава 1 посвящена обзору известных из литературы свойств УВСО и его пленок, методик осаждения и подложек, используемых для получения пленок УВСО, а также технологий изготовления джозефсоновских переходов на основе пленок УВСО.

В главе 2 излагаются использованные методики получения пленок УВСО и методики определения их кристаллических и электрических параметров.

Глава 3 посвящена вопросам оптимизации процессов осаждения пленок ВТСП, в том числе вопросам подавления формирования частиц на поверхности пленок.

В Главе 4 изложены результаты исследования осаждения гетероструктур УВС0/Се02 на подложку сапфира (г-плоскость), а также изготовление и свойства однослойного джозефсоновского перехода на ступени, выполненной в слое Се02 с использованием «взрывной» литографической техники.

В Главе 5 изложены вопросы изготовления джозефсоновского перехода в виде межслойного торцевого контакта с наклонным торцом в гетероструктурах УВС0/Се02/А120з, а также приведены результаты структурного и электрофизического исследования изготовленных джозефсоновских переходов.

Глава 1. Эпитаксиальные пленочные гетероструктуры на

основе УВа2Си30х.

1.1. Структура и свойства УВа2Си3Ох.

УВа2Си3Ох (УВСО) является металлооксидным соединением и по структуре и свойствам относится к семейству сверхпроводящих купратов, которые, в свою очередь, входят в группу высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Высокотемпературная (с критической температурой выше 25 К) сверхпроводимость в металлооксидных керамиках была открыта в середине 80-ых годов, когда в течение короткого времени была обнаружена сверхпроводимость в совместных оксидах меди, лантана и стронция с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 35 К [1] и, несколько позже, иттрия, бария и меди с критической температурой более 90 К [2]. До начала 90-ых годов была обнаружена сверхпроводимость в сложных купратах, висмутатах и ванадатах. Кроме того, высокотемпературная сверхпроводимость была обнаружена не только в оксидах, но и в других неметаллических соединениях. Большинство обнаруженных соединений имеют критическую температуру выше 20 К; наиболее высокая температура наблюдается в сложных оксидах меди - до 155 К в оксиде меди, ртути, бария и кальция [3].

Структура сверхпроводящих купратов представляет собой чередующиеся слои Си02 и стабилизирующие их прослойки оксидов других металлов. Простейшая ячейка имеет структуру типа перовскита МСи03, в которой М - щелочноземельный или редкоземельный металл. Получение такого простейшего сверхпроводящего купрата, однако, сложно, и для увеличения стабильности соединения в структуру ВТСП купратов необходимо введение дополнительных стабилизирующих слоев, разделяющих одну, две или более перовскитных ячеек МСи03. Таким образом, структура сверхпроводящих купратов в общем случае состоит из четырех металлов - меди, металла М1, стабилизирующего перовскитную

"у

ячейку, металла М , формирующего дополнительный стабилизирующий

о

слой и металла М , обеспечивающего связь стабилизирующего .слоя со слоем Си02 [4]. Полная формула ВТСП купрата имеет вид М2тМ32М1п.1СипОх, где п - число сверхпроводящих слоев и т - число стабилизирующих слоев в ячейке. Часто используется сокращение типа М т2(п-1)п, например, В12212 вместо В128г2СаСи208. Получаемый при внедрении стабилизирующих слоев материал по свойствам аналогичен многослойной структуре

Рис. 1.1. Структура элементарной ячейки УВСО. В орторомбической фазе позиции 0(1) в основном

q заполнены, а позиции 0(5) вакантны, полное число атомов кислорода на элементарную ячейку х = 6.6 -

чередующимися сверхпроводящими и „„ „

1 7.0. В тетрагональной фазе позиции 0(1) и 0(5)

СЛОЯМИ. вакантны, х = 6.0 - 6.3; в высокотемпературной

тетрагональной фазе позиции 0(1) и 0(5) заполнены одинаково для х от 6.0 до 7.0 [10].

несверхпроводящими Известно, что в структурах такого рода наблюдается сверхпроводимость

с критической температурой тем меньшей, чем больший объем занимают несверхпроводящие прослойки; критическая температура получаемого ВТСП зависит, поэтому, от соотношения толщин сверхпроводящей части решетки и стабилизирующего слоя. Выраженная анизотропия свойств материалов данного типа завершает аналогию со слоистыми структурами сверхпроводник/нормальный металл [5].

В отличие от остальных ВТСП купратов, в материалах семейства 11е1Ва2СизОх, к которым относится УВСО, стабилизация сверхпроводящих слоев осуществляется одиночным слоем оксида меди СиО (рис. 1.1) [6]; следуя нотации прочих ВТСП купратов, формулу УВСО можно записать как СиВа2УСи2Ох или Си 1212. Наличие беспорядка расположения атомов

кислорода в стабилизирующем слое приводит к образованию фрагментов Си02, которые обеспечивают более сильную связь между сверхпроводящими слоями, чем в случае стабилизирующих слоев из оксидов других металлов,

о о гтт

что подтверждается заметно меньшей анизотропиеи свойств [7]. Относительно низкая анизотропия свойств делает семейство 123 привлекательным для использования для задач сверхпроводниковой электроники. В материалах этого семейства наблюдаются критические температуры около 90 К, что позволяет надеяться на получение структур, работающих при температуре кипения жидкого азота (~77 К).

Известны две структурные модификации сверхпроводников семейства 123, различающиеся содержанием кислорода в стабилизирующем слое. При полном отсутствии в нем кислорода формируется тетрагональная модификация, не являющаяся сверхпроводящей. Постоянные решетки тетрагональной модификации при н.у. а = Ь = 3.852-3.865 А, с= 11.804-11.852 А [6]. Межатомные расстояния в сверхпроводящих слоях Си02 и в стабилизирующем слое СиО равны, поэтому положение ионов кислорода, внедряющихся в стабилизирующий слой, соответствует положению ионов кислорода в сверхпроводящих слоях. При небольшом количестве ионов кислорода они размещаются случайным образом в позициях 0(1) и 0(5), сохраняя тетрагональную симметрию кристаллической решетки. Увеличение содержания кислорода в стабилизирующем слое, однако, приводит к упорядочиванию атомов кислорода в цепочки ...-О-Си-О-Си-О-... вдоль одного из кристаллографических направлений из-за взаимного отталкивания ионов кислорода. Упорядочение в слое СиО приводит к искажению решетки, которая приобретает орторомбическую симметрию [6]. При заполнении более 2/3 позиций 0(1) в цепочечном слое УВСО образует модификацию Орто1 с постоянными решетки при н.у. а = 3.823±0.003 А, Ь = 3.88±0.01 А, с = 11.68±0.02 А [6] (рис. 1.2). Орторомбические модификации УВСО являются сверхпроводящими,

11 ее

11.76

11.72

В.88

3.86

3.84

3.82

-и ,. , | 1 101 1 ...... 1-------- А"

< ф <

ф 1 1 1 ■ 1 1 1

I .1 1 (*> -?П?Т—— 1 1 1

ь

• Охудеп 4-Н-

О А1Г

О 5% 0г ,95%М;

0

! 1 I 1 1 ! , 1

О

100 80 60 40 20 0

"1—Т-

•—и,

. [ I 11 ч '■']':.«' « I

■ ■ 1_II I 1,1 I

г к

I >

.! .Ь , I

6.8

6.6

6.4 6.2

Рис. 1.3. Зависимость критической температуры УВСО от содержания кислорода на элементарную ячейку (из [10]).

Рис. 1.2. Зависимость параметров решетки УВСО от содержания кислорода на элементарную ячейку (из [6]).

ья

66

6.4

зависимость критическои температуры материала от содержания кислорода на элементарную ячейку показана на рис. 1.3 [10].

Образование УВСО определяется кинетикой химической реакции синтеза УВСО из оксидов отдельных элементов

УВа2Си3Ох □ (У203, ВаСиу02, СиО, У2ВаСи05,...) (1.1)

Содержание кислорода в решетке УВСО, определяющее сверхпроводниковые свойства материала, зависят от условий получения (рис. 1.4) [8]. При н.у. УВСО является метастабильным, имея тенденцию к разложению на отдельные оксиды. Многочисленные исследования показали, что образцы с наиболее высоким качеством кристаллической решетки получаются при температурах и давлениях, обеспечивающих невысокое содержание кислорода в решетке [8]. Для получения высоких сверхпроводниковых свойств материала, поэтому, оказывается необходим дополнительный этап насыщения кислородом. Наиболее полное насыщение образца кислородом происходит при температурах 350-400 °С [9], что

1Е+3

1Е+2

1Е+1

О.1Е+0 ГО

ю

1Е-1

§

а 1Е-2

1Е-3

1Е-4

1 Е"5

рост кристаллов и' 1 1 1 '

жидкофгз.нзя элита ксия

■ 1 ¡ГЯ'"1— "' ■ т124 +

_ У211+

• СУО-процессы ^ Ва2Си30у

УВа2Си307.х

тетрагональный

11111№1|||||||П1

'.........

1

У2М

с!

. II

орторомбический _

х=0.1

х=0.5

У211 ВаСиО^+ Си^Э

Рис. 1.4. Область стабильности УВСО. Заштрихованы облает» технологических параметров изготовления УВСО различными методиками (по материалам [8]).

0.8

1,4

1.0 1.2 1000/Т, 1/К

определяет обычно используемые температуры насыщения кислородом. Диффузия кислорода в УВСО происходит обычно вдоль оси Ь, по незаполненным кислородом позициям 0(5) в цепочечных слоях; наиболее .медленно диффузия кислорода проходит вдоль оси с [10]. В процессе насыщения кислородом при охлаждении образца от температур формирования в нем происходит переход из тетрагональной модификации в ор' го р о м б и ч ее куч о.

Редкоземельные металлы, используемые в сверхпроводниках семейства 123, включают в себя все иттрий и почти все лантаниды. Первые в ряду лантаяидов церий и празеодим являются исключением; церий вообще не образует соединения СеВа2Си3Ох, а в соединении РгВа2Си3Ох до 1998 года не наблюдалась сверхпроводимость. Эти отличия связаны с размером иона в кристаллической решетке: наиболее крупный ион Се не включается в кристаллическую решетку соединения семейства 123, а рассеяние на ионах Рг подавляет проводимость в слоях Си02 [11]. Следующий по размеру ион неодима образует соединение с наиболее высокой критической

температурой, наблюдавшейся в группе ЯеВСО (98 К в монокристаллах), что связано с высоким содержанием кислорода: х = 7.0 образуется уже в процессе формирования ЫёВа2Си3Ох (ЫВСО) ввиду четырехвалентное™ неодима. Близость ионных радиусов неодима и бария обеспечивает более высокое качество кристаллической решетки 1МВСО по сравнению с другими материалами группы 11еВСО [12].

1.2. Методики осаждения пленок металлооксидных сверхпроводников.

Чтобы наиболее полно использовать достоинства металлооксидных сверхпроводников в сверхпроводниковой электронике, необходимо получение пленок, по электрическим свойствам и кристаллическому качеству мало уступающих монокристаллам. В настоящее время разработано значительное количество разнообразных методик осаждения пленок ВТСП. Среди наиболее удачных следует упомянуть молекулярно-лучевую эпитаксию, лазерное распыление и ионно-плазменное распыление керамических мишеней стехиометрического состава [13]. Последние два метода позволяют получать пленки несколько худшего качества, чем первый, однако проще в практической реализации. Лазерное и ионно-плазменное распыления требуют высокого давление кислорода в камере для обеспечения необходимых условий формирования; сочетание высокой температуры на подложке с наличием химически активной газовой среды является основной технической проблемой при создании установок осаждения пленок ВТСП.

Методики ионно-плазменного распыления, используемые для осаждения пленок ВТСП, включают катодное распыление [14], высокочастотное распыление [15] и магнетронное распыление [16, 17]. Во всех методах распыляется керамическая мишень из осаждаемого ВТСП близкого к стехиометрическому состава; образ