автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка и исследование детекторов квантов электромагнитного излучения на основе сверхпроводниковых наноструктур с туннельным переходом

На правах рукописи

Якопов Григорий Владимирович

я

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТЕКТОРОВ КВАНТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУР С ТУННЕЛЬНЫМ

ПЕРЕХОДОМ

Специальность 05.27.01 — Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог 2006

Работа выполнена на кафедре технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры , Таганрогского государственного радиотехнического университета

Научный руководитель: , доктор технических наук, профессор

| Сеченов Д.А. |

Научный консультант: кандидат технических наук, профессор

Светличный A.M. (ТРТУ, Таганрог)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Захаров А.Г. (ТРТУ, Таганрог)

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ЮНЦ РАН Рывдин Е.А.

Ведущая организация: Кубанский государственный университет, г. Краснодар

Защита состоится 31 августа 2006 г. в 10 ч. 20 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.259.04 при Таганрогском государственном радиотехническом университете по адресу: 347928, г. Таганрог, ул Шевченко 2, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таганрогского государственного радиотехнического университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссе] совета Д 212.259.04 канд. техн. наук, доцент

И.Б. Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуяльиость темы:

В настоящее время на Большом телескопе азимутальном Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (БТА CAO РАЯ) с диаметром главного зеркала 6м для выполнения спектроскопических и спектрополяриметрических наблюдений с высоким и умеренным спектральным разрешением используются эшелле спектрографы, работающие в режиме скрещенной дисперсии. Такая оптическая схема позволяет получить высокое спектральное разрешение, однако, из-за большого количества диспергирующих элементов уменьшается светосила прибора. Даже в лучших современных спектрографах теряется порядка 90% света. Для оценки эффективности того или иного спектрального прибора, а также для сравнения спектральных приборов друг с другом, существует величина, называемая потенциальным качеством и представляющая собой произведение спектрального разрешения спектрографа, светосилы системы спектрограф + приемник излучения, количества одновременно регистрируемых элементов спектра и временного разрешения приемника излучения.

В то же время, светоприемники на основе сверхпроводниковых туннельных переходов (СТП) обладают возможностью детектирования единичного фотона с определением его энергии, являясь, по сути, спектрографами. Однако, собственного спектрального разрешения СТП QJàX » 10 в оптическом диапазоне) для серьезных спектроскопических исследований недостаточно. По этой причине в мире до сих пор детекторы на основе СТП использовались исключительно в фотометрических приложениях. В работе рассматривается возможность комбинирования СТП с различными оптическими схемами, с целью повышения потенциального качества прибора в целом. Оценивается выигрыш в эффективности наблюдений на спектрографах в сочетании с линейкой СТП-приемников относительно вариантов наблюдений с матрицей ПЗС. Предложенная методика позволит применять СТП в спектроскопии высокого разрешения.

Повышенный интерес к детекторам на основе СТП связан с рекордно высокой чувствительностью таких структур, обусловленной природой сверхпроводимости. Так, минимальное значение энергии, необходимое для разрыва куперовской пары в сверхпроводнике и создания свободных носителей заряда, крайне мало (единицы мэВ), - на 3 порядка меньше величины энергии, которую несет единичный фотон видимой области спектра. Энергия же выхода полупроводника составляет электронвольты и сравнима с энергией фотона. Это фундаментальное отличие позволяет рассматривать сверхпроводники чрезвычайно перспективными для использования в качестве детекторов фотонов от рентгеновского до оптического и ближнего инфракрасного диапазонов, поскольку дает возможность не только обнаружить отдельные фотоны с определением их энергии, но и позволяет создать детектор с рекордным быстродействием (порядка 104 событий/пиксельхеек).

СТП находят применение в самых различных областях - от детектирования элементарных частиц в ядерной физике до детектирования излучений в рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного излучения.

Такие детекторы имеют огромные потенциальные возможности в развитии инструментальной астрономии, которые обусловлены:

• широким диапазоном спектральной чувствительности (330-800 нм)

• высокой квантовой эффективностью - 70% при 500 нм

• высокой чувствительностью

• высоким временным разрешением - 10 кГц/пике

• энергетическим разрешением Х/ДХ - 8-13 при 500 нм

Наибольших успехов, на сегодняшний день, достигла научно-исследовательская группа из Голландии (Rando, Peacock), которая впервые успешно апробировала детектор на основе СТП на телескопе William Hershel в 1999г. В России разработкой и изготовлением СТП занимаются в

Институте радиотехники и электроники РАН, в лаборатории сверхпроводниковых устройств для приема и обработки информации, впервые такие структуры использовались для регистрации рентгеновского излучения в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Скобелицина (МГУ).

Htflfr работы:

Целью данной работы является разработка и изготовление прототипов камерной головки твердотельного спектрального приемника на основе светочувствительных сверхпроводниковых туннельных переходов (СТП), для оснащения Большого телескопа азимутального Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (БТА CAO РАН). Разработка технологии, изготовление опытных образцов детекторов, оснащение криогенными устройствами, электроникой и программным обеспечением производится на основе кооперации двух организаций - Специальной астрофизической обсерватории (CAO) РАН и Института кибернетики (ИК) им. Глушкова HAH Украины.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи;

• Обобщение и систематизация имеющихся и используемых в настоящее время детекторов излучения в астрономии.

• Разработка прототипов камерных головок детекторов на основе СТП под условия имеющейся спектральной аппаратуры БТА CAO РАН

• Оптимизация технологического процесса с целью получения качественных структур, удовлетворяющих высоким требованиям, предъявляемым к детекторам излучения.

• Исследования полученных структур методами жидкостного анодирования и атомно-силовой микроскопии.

• Разработка модели, учитывающей влияние подслоя алюминия на электрофизические параметры туннельной структуры - «эффект близости».

• Разработка методики калибровки СТП посредством магнито кардиографического комплекса "SQUID".

• Разработка и изготовление стенда для исследования вольтамперных характеристик тестовых структур при гелиевых температурах (4,2 К).

Научная новизна;

• Предложен способ использования СТП в спектроскопии высокого разрешения.

• Разработаны основы технологии формирования СТП, базирующиеся на процессе с двустадийным анодированием (ТАР) Впервые получены светочувствительные элементы, изготовленные по ТАР — технологии с применением метода контролируемого окисления.

• Разработана модель СТП, учитывающая влияние подслоя алюминия на электрофизические параметры туннельной структуры - «эффект близости»

• Предложен метод калибровки СТП посредством магнитокардиографического комплекса «SQUID», позволяющий получить фотоотклик при температуре 4,2 К.

Практическая значимость;

• Получены пленки ниобия с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние (Тс) близкой к Тс массивного ниобия, что свидетельствует о высоком качестве пленок.

• Отработана методика формирования сплошного однородного алюминиевого слоя толщиной 8 им, обеспечивающего получение высококачественного окисного слоя. Показано, что наилучшие результаты получены при использовании комбинированного окисления.

• Разработаны и изготовлены четыре типа тонкопленочных микросхем для спектрографических и фотометрических исследований космического излучения.

• Разработан и изготовлен стенд для измерения параметров СТП в жидком гелии, включающий криостат, зондовую технику, необходимую электронику, программное обеспечение.

• Определены характеристики переходов при гелиевых температурах.

Основные положения выносимые на защиту:

• Метод использования СТП в спектроскопии высокого разрешения, адаптированный под условия реальной спектральной аппаратуры, функционирующей на телескопе БТА;

• Способ получения высококачественных пленок и барьерного окисного слоя для дальнейшего формирования СТП и тестовых структур.

• Метод калибровки СТП посредством магниггокардиографического комплекса "SQUID";

Апробвпия диссертационной работы;

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских (Физ,-мат. науки в СГУ 2005, 2006) и Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог - Дивноморское 2002,2004, 2006), WOLTE - 6, 7, (Нидерланды 2004, 2006), научных семинарах CAO РАН и кафедры технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры (ТМиНА) ТРТУ.

Работа поддержана Федеральным агентством по науке и инновациям в соответствии с государственным контрактом № 02.444.11.7071 от5 сентября 2005 г.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 117 наименований, приложения. Общий объем диссертации 158 страниц, включая 49 рисунков, 9 таблиц, 17 стр. приложений.

Кратко« содержание работы;

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ существующих типов детекторов, используемых в оптической астрономии и их классификация. Приведены сравнительные характеристики, проведен обзор существующих работ за рубежом (по СТП). Сформулированы начальные требования к конструкции микросхем. Кратко описан принцип действия детектора излучения на основе СТП, показана структура перехода.

Рассмотрены различные способы осаждения тонких пленок и технологические процессы формирования СТП, такие как «SNAP» - процесс селективного анодирования ниобия (Selective Niobium Anodization Process), «SNEP» - процесс селективного анодирования ниобия (Selective Niobium Etching Processes), «RHEA» - процесс с травлением по упрочненному фоторезисту и анодированием (Rezist Hardned Etch and Anodization), «ТАР» - процесс с двустадийным анодированием (Two - Anodization Process), отражаются преимущества и недостатки указанных процессов. На основе анализа установлено, что для получения наиболее качественных структур необходимо использовать магнетронный способ осаждения пленок в едином вакуумном цикле, а

при формировании топологии микросхем использовать процесс с двустадийным анодированием структур (ТАР).

Во второй главе рассматривается возможность комбинирования СТП с различными видами оптических диспергирующих элементов, такими как: эшелле решетка, интерферометр Фабри-Перо, спектрополяриметр. Для иллюстрации рассмотрен частный случай - стационарная спектральная аппаратура Большого телескопа азимутального (БТА) Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (Рис.1).

Входная щель спектрографа Каштмпор

Дифражцномао рвшп

Эпшвш-рвтат

Фожуофуюхцш атига СЬегтфиемник

Рис.1. Оптическая схема эшельной части спектрографа

Внедрение твердотельных светоприемников в практическую спектроскопию поставило задачу согласования размеров изображения спектра (в отдельных фотографических спектрографах длина спектра составляла десятки см), с небольшими размерами светоприемника (матрица или линейка полупроводниковых приборов, с характерными размерами 1-2 см). Поэтому возродился интерес к схемам спектрографов скрещенной дисперсии. В этих схемах функцию основного диспергирующего элемента выполняет решетка с большим углом блеска, работающая в высоких порядках дифракции - эшелле (4). Для пространственного разведения спектральных порядков эшельной решетки и упаковки спектра на двумерный твердотельный приемник излучения (например, матрицу ПЗС), в схему спектрографа вводят дополнительный элемент скрещенной дисперсии - кроссдисперсер (3), плоскость дисперсии которого перпендикулярна плоскости дисперсии эшелле. Схемы скрещенной дисперсии обеспечивают экономичное использование площадки светоприемника (Рис.2,а), но ввод дополнительного диспергирующего элемента увеличивает потери света в спектрографе.

Рис.2. Спектр исследуемого объекта на фокальной плоскости

светоприемника.

а - матрица ПЗС в схеме спектрографа с дополнительным элементом скрещенной дисперсии (кроссдисперсер),

6 - линейка сверхпроводниковых туннельных переходов.

1. 2.

3.

4.

5.

6.

Применение приемников излучения на сверхпроводящих туннельных переходах, обладающих спектральной чувствительностью, снимет проблему пространственного разведения порядков эщелле решетки, что позволит отказаться от элемента скрещенной дисперсии в схеме эшелле спектрографа, снижающего светосилу спектрографа на величину от 15% до 40%. Поскольку при отказе от элемента скрещенной дисперсии мы получаем одномерное изображение спектра, как в случае обычного дифракционного спектрографа (Рис.2,б), то и приемник излучения со спектральной чувствительностью может быть одномерным (линейка), что упрощает процедуру считывания сигнала. Также немаловажным фактором является и временное разрешение приемника СТП, работающего в режиме счета фотонов.

В главе рассмотрен выигрыш в эффективности наблюдений на спектрографах «Рысь» и «Краб» телескопа БТА в сочетании с линейкой СТП-приемников относительно вариантов наблюдений с матрицей ПЗС. Для оценки эффективности того или иного спектрального прибора, а также для сравнения спектральных приборов друг с другом, вводится величина, называемая потенциальным качеством:

\V-RLNT (1)

где Я - спектральное разрешение спектрографа, Ь - светосила системы спектрограф + приемник излучения, N - количество одновременно регистрируемых элементов спектра, т -временное разрешение приемника излучения. Приведена таблица для сравнения потенциального качества спектрографов «Рысь» и «Краб» в вариантах наблюдений с матрицами ПЗС и линейками СТП-премников.

Таблица 1 Сравнительные характеристики различных спектрографов в терминах потенциального качества.

Вариант наблюдений Я N 1. т 18\У

«Рысь» ■ + матрица ПЗС' 30 000 6600 0.12 0.01 5.38

«Рысь» + линейка СТП-приемников 30 000 9900 0.20 1 7.77

«Кра б» + матрица ПЗС 4 000 3500 0.17 0.01 4.57

«Краб» + линейка СТП-приемников 4 000 5300 0.19 1 6.62

Из таблицы видно, что использование линейки СТП-приемников приводит к увеличению потенциального качества эшелле спектрографов более чем на 2 порядка, но при этом линейка СТП-приемников имеет на 3 порядка меньше элементов по сравнению с матрицей ПЗС.

В области слабых потоков, где временное разрешение не дает ощутимого увеличения эффективности наблюдений, потенциальное качество спектрографа, работающего в сочетании с линейкой СТП, увеличивается примерно только в 2 раза Однако, при наблюдении слабых объектов, у СТП, работающего в режиме счета фотонов, есть дополнительное преимущество перед матрицей ПЗС, связанное с шумами считывания приемника излучения. Теоретическое значение сигнал/шум в спектре звезды величиной ту можно рассчитать по формуле:

5/ЛГ = -,--ш ---• (2),

где Т - время экспозиции в часах (Ьг), Ыо - эффективность спектрографа (е" Ьг"'р1х~') при качестве изображения 1" (размер турбулентного диска звезды) для звезды величины то, \У -высота спектрального порядка (р1х), Лг - шум считывания (е- р1х ), О - темновой ток (е" Иг^рЬс"1), Ь - фактор биннинга (объединения соседних пикселей при считывании) в направлении.

перпендикулярном дисперсии эшелле, к - отношение пропусканий щели спектрографа при качестве изображения звезды в момент наблюдения и при качестве 1".

Рис.3. Теоретическая зависимость отношения S/N от звездной величины ту для спектрографа Рысь в сочетании с матрицей ПЗС с шумом считывания 7.7 электронов на элемент (сплошная линия). Точками отмечены результаты экспериментального определения отношения сигнал/шум в спектрах звезд, полученных на спектрографе Рысь при хороших погодных условиях за время экспозиции 1 час. Штриховой линией показана теоретическая зависимость отношения S/N от яркости Объекта, при наблюдении . на спектрографе Рысь в сочетании с линейкой СТП-приемников, работающих в режиме счета фотонов.

На Рис.3 показаны измеренные значения S/N в спектрах звезд различной величины mv, полученных на одном из штатных спектрографах БТА - «Рысь» при хороших погодных условиях (размер турбулентного диска звезды около 1") за время накопления сигнала 1. час. Сплошной линией показана теоретическая зависимость, рассчитанная по приведенной выше формуле. На спектрографе «Рысь» используется матрица ПЗС с шумом считывания N, = 7.7 e'pix'1. Пунктирной линией показана теоретическая зависимость отношения сигнал/шум в спектрах звезд различной величины, которые можно получить на спектрографе «Рысь» с использованием линейки СТП-приемников в режиме счета фотонов при аналогичных условиях (качество изображения, время интегрирования сигнала). Видно, что наиболее значимый выигрыш в проницающей способности имеет СТП-приемник в области слабых потоков, при наблюдении с высоким спектральным разрешением звезд слабее 13 звездной величины.

При разработке детекторов на основе СТП основную проблему представляют факторы, приводящие к ухудшению их свойств при сверхнизких температурах ниже 1 К (как правило Т=0.3 К). Один из основных негативных факторов — наличие подслоя А1 на границе туннельного барьера. Наличие такого подслоя необходимо принимать во внимание при анализе СТП, так как в этом случае последний представляет собой не простую SIS (Superconducting - Isolator -Superconducting) структуру, а более сложную структуру типа SNIS (Superconducting - Normal metal - Isolator - Superconducting) (Nb/Al-AlxOy/Nb), когда алюминий находится в несверхпроводящем состоянии. Однако, трудность такого учета состоит в том, что экспериментальные свойства SNIS структур изучены значительно хуже по сравнению со свойствами SIS, особенно при Т<1К. Более того, прогресс в понимании фундаментальных свойств SNIS структур, ограничивающих параметры устройств на их основе, стимулируется разработкой приборов на основе СТП, в первую очередь ошнческих и СВЧ детекторов.

Учет влияния эффекта близости в такой многослойной пленочной структуре усложняет расчет как сигнальных так и шумовых свойств сенсоров на основе СТП. При расчете сигнальных свойств СТП необходимо учитывать потери квазичастиц на генерацию фононов при прохождении границы Nb-Al, а также на рекомбинацию и захват ловушками в самом А1. Подслой А1 находится на границе туннельного барьера и имеет толщину, значительно меньшую нежели Nb электроды, что определяет повышенные требования к нему относительно наличия примесей, дефектов и качества границы Nb-Al. При расчете как сигнальных, так и шумовых свойств СТП необходимо учитывать

основной негативный фактор влияния подслоя А1 на свойства №> электродов - так называемый эффект близости. Этот эффект приводит к деградации основного параметра ЫЬ электрода -критической температуры Тс до некоторого эффективного значения Т0г- Уменьшение критической температуры, соответственно, приводит к уменьшению энергетической щели Д и критического тока. Однако, эффект близости не является однозначно негативным фактором, приводящим к ухудшению свойств сенсоров на основе СТП. Основные результаты такого влияния на свойства СТП и их характер систематизированы в Табл.2.

В главе детально рассматриваются факторы влияния 1-4, приводятся численные оценки суммарного шумового тока в единичной полосе частот, проникающий в СТП, который равен я 2 пА/^Гч и предполагаемой минимальной мощности излучения, которую возможно зарегистрировать посредством СТП при гелиевых температурах (Т=4,2К) » 7нВт/^Гц

Результат эффекта близости Факторы влияния на свойства СТП Характер влияния Причина

Приближение 'энергетической щели 1. Понижение плотности возбуждений Негативный на сигнальные свойства Уменьшает количество квазичастиц, порожденных одним фотоном

2. Увеличение квантового выхода Позитивный на сигнальные свойства Увеличивает количество квазичастиц, порожденных одним фотоном .

3. Увеличение тока утечки Негативный кв шумовые свойства Увеличивает дробовой шум

Понижение критического тока 4. Уменьшение тока куперовскнх пар Позитивный как на сигнальные, так н на шумовые свойства Уменьшает шунтирование полезного сигнала и уровень внешних магнитных помех

Третья глава посвящена отработке тонкопленочной технологии формирования СТП. Изготовление однобарьерных сверхпроводниковых туннельных переходов (СТП) проводится на подложки из окисленного кремния и сапфира диаметром 60 мм. Напыление многослойной структуры МЬ/А1-А10х/ЫЬ проводится в едином вакуумном цикле методами магнетронного распыления в переоборудованной установке УВН-2М-2, оснащенной турбомолекулярным насосом ТМН-500 и двумя азотными ловушками. Прокачная ловушка установлена во фланце крепления турбомолекулярного насоса, заливная - непосредственно в камере. Внутри камеры установлен источник ионов, два одинаковых магнетрона, один из которых имеет ниобиевую, а другой — алюминиевую мишень диаметром 70 мм. Расстояние между мишенями магнетронов и подложкой -45 мм. Чистота мишеней - 99,99 %. Напыление производится при базовом вакууме в камере -7-10"7 мм рг.ст. Скорость напыления пленок ниобия во всем диапазоне давлений аргона составляет 3,54,0 нм/с. Температура подложек при напылении не поднималась выше 70 °С. Толщина получаемых пленок составляет 200 и 50 нм для нижнего и верхнего электрода, соответственно. Толщина алюминиевого слоя 8 нм. Плотность критического тока определяется давлением кислорода в камере и временем окисления и может варьироваться от 100 до 7000 А/ст2.Результаты исследования зависимости механических напряжений в пленках ниобия от давления аргона при напылении представлены на Рис. 4. Из графика видно, что напыленные пленки ниобия имеют минимальные напряжения при двух значениях давлений аргона - около 3,0-10"1 Ра и 1 Ра.

Очевидно, более предпочтительным с точки зрения чистоты получаемых пленок является давление близкое к 3,010"' Ра, что и было подтверждено после измерения зависимости критической температуры ниобиевых пленок от давления аргона при напылении - Рис. 5.

Критическая температура ниобиевых пленок при данном давлении составляла 9,2 К, как и у массивного ниобия, что является свидетельством высокого качества полученных пленок.

Рис.4. Изменение напряжений в пленках ниобия в зависимости от давлений аргона при напылении.

Тс (К) 10

5

«,2К —

Рис.5. Изменение критической

температуры ниобиевых пленок в зависимости от давления аргона в процессе магнетронного осаждения.

10 10° 1 10 Следующим этапом при формировании сэндвич-структур являлось напыление слоя алюминия, толщиной около 8 нм. Напыление алюминия проводилось со скоростью 1 нм/с, при давлении аргона 3,0-10"' Ра. С целью получения высококачественного барьерного слоя, при отработке магнетронной технологии создания СТП, было проведено подробное исследование режимов и способов формирования окисной пленки на поверхности алюминия. В процессе создания структуры ЫЬ/АЮХ-А1ЖЬ исследовались методом локального жидкостного анодирования, получившего название «анодная спектроскопия», эксплуатационные параметры полученных структур определялись по виду вольтамперной характеристики.

Были исследованы структуры М>/АЮх-А1/ЫЬ с различными временами окисления алюминия. Напыление металлических пленок для структур МЪ/АЮх-А1/ЫЬ производили по стандартному режиму, окисный слой получали термическим окислением, путем напуска в камеру осушенного кислорода до давления 133 Ра. Время экспозиции поверхности алюминия в кислороде составляло 30,45 и 60 минут.

г-

-'II

Рис. 6. Профили анодирования структур ИЬ/ЛЮ-гАШ^Ь, сформированных при различных временах термического окисления.

На рисунке б приведены профили анодирования структур ЫЬ/АЮх-АШЬ с различными временами окисления алюминия. Из профилей анодирования видно, что по мере увеличения времени термического окисления поверхности барьерного алюминия возрастают высота и ширина пика окисла.

По профилям анодирования можно рассчитать толщину слоев алюминия, ушедшего на образование окисных слоев из ¿лНсльДиль

Рассчитанная из <1люх - клю* Дилюх в предположении, что постоянная анодирования для пленки барьерного окисла совпадает с постоянной анодирования для АЬОэ, толщина окисных слоев для исследуемых образцов составляет 13-18нм, что значительно больше толщины туннельного барьера джозефсоновских контактов, в то время как вольтамперные характеристики переходов, изготовленных на основе исследованных структур, показывают джозефсоновские характеристики с небольшой плотностью критических токов.

Величина наблюдаемых критических токов переходов (0,2 - 0,8 кА/см2) совпадает с данными других исследователей для контактов Джозефсона, полученных при аналогичных условиях. Расчеты показывают, что толщина барьерного окисла, соответствующего таким джозефооновским токам, должна составлять единицы нанометров. Поэтому мы считаем, что пик на профиле анодирования структуры НЬ/А10х-А1/ЫЬ отражает наличие не только слоя окисла алюминия, но и существование слоев алюминия, обогащенных кислородом, а также шероховатость поверхностей слоев барьера.

Сложность реального строения структур в области барьерного окисла отражается на профилях анодирования как расширение пика окисла и уменьшение его высоты по сравнению с идеализированными профилями анодирования.

Измерение вольтамперных характеристик СТП (Рис.7), изготовленных на этих структурах, профили анодирования которых приведены на рисунке 6, не показали ожидаемого значительного уменьшения джозефсоновских токов при увеличении времени экспозиции при окислении.

Рис. 7. Вольтамперная характеристика СТП, изготовленного с применением термического окисления барьерного слоя.

При возрастании и. от 30 до 60 минут Ям увеличилось незначительно (менее, чем в два раза). Невысокая величина параметра качества (И]/К.н=5 - 13) наводит на мысль о наличии дефектов в окисном слое. По-видимому, экспозиция в кислороде при давлении 133 Па от 30 до 60 минут не приводит к росту плотного слоя барьерного окисла и пропорциональному увеличению его толщины при росте времени окисления. Происходит скорее общее утолщение кислородо содержащего слоя и увеличение содержания кислорода в нем, чем утолщение стехиометрическото окисного слоя.

Описанные выше недостатки получаемых окислов вынудили искать альтернативные методы окисления алюминия. Таким методом стало окисление пленки алюминия в кислородной плазме ПТ магнетрона. Предполагалось, что ионы кислородной плазмы активизируют образование окисла

А1»Оу и сам процесс окисления будет происходить в гораздо меньшем объеме, непосредственно над поверхностью магнетрона, в проточном кислороде, подаваемом в магнетрон. Все это должно существенно снизить наличие примесей в окисле. Во время окисления подводимая мощность и давление кислорода составляли 45 >У и Рог=0,6 Па соответственно. Время окисления варьировалось от 4 до 15 с. Также проводилось комбинированное окисление, когда после окисления в плазме магнетрона образец доокислялся термически при режимах, описанных выше.

При изучении особенностей окисления в плазме магнетрона были проведены сравнительные исследования методом анодной спектроскопии структур ЫЬ/АЮ*-А1/ЫЬ, полученных при трех различных способах окисления. Исследовались тестовые структуры с термическим окислением, окислением в плазме магнетрона и комбинированным окислением. С целью получения достоверной информации именно об окисном слое, исследования проводились на сплошных пленках алюминия, имевших уже толщину порядка 15 нм.

При исследовании использовались следующие режимы: алюминий не окислялся (Рис.8, а), термическое окисление (давление кислорода Рог=133 Па, время 1оК=45 минут) (рис.8, б), плазменное окисление ( Ро2=0,6 Па, ток 1=0,15А, время 1„=10с) (рис.8, в) и комбинированный режим, при котором после окисления алюминия в плазме проводили термическое окисление (рис.8, г).

Для неокисленных структур (рисунок 8, а) наблюдается четко выраженное плато алюминия, величина падения напряжения на нем составляет для данной толщины алюминия Ди=18В. Рассчитанная по профилю анодирования толщина слоя алюминия (¿Аг^м-ДилО ¿аг=15,5 им соответствует расчету толщины алюминия по времени и скорости напыления с точностью в 10%. Профили анодирования структур с окисленным алюминием (рис.8, б, в, г) имеют четко выраженные окисные пики, за которыми следуют плагго оставшегося неокисленным алюминия. Ширина окисных пиков зависит от времени окисления. Вероятно, различия в высоте пиков связаны с кислородосодержанием слоев АЮх на пути фронта анодирования. По величине

(3)

легко рассчитать кислородосодержание г в анодируемом слое.

¿ЦМ1

10 20 30 40 ВО 60 70 и(В)

Для барьерных окисных слоев АЬОг

Рис.8. Профили анодирования структур с различными режимами получения окисла, а -алюминий не окислялся, 6 - термическое окисление (давление кислорода Ро2"133 Па, время !ок=45 минут), в -плазменное окисление (Ро2~0,6 Па, ток 1=0,15А, время и.-10с), г -комбинированный режим, при котором после окисления алюминия в плазме проводили термическое окисление.

(АЮх) структур МЬ/АЮх-АШЬ, значения г, вычисленные по максимумам окисных пиков, составляют 0,25 для термического окисления, 1,50 для плазменного, 1,93 для комбинированного. Такое низкое кислородосодержание барьерных слоев, на наш взгляд, соответствует несплошностн и значительной волнистости слоя окисла алюминия. Исследования структур ЫЬ/АЮх-АШЬ методом атомно-силовой микроскопии (Рис.9, 10) показали, что барьерный слой не является плоским, он имеет явную волнистость около 2-5нм высотой, с периодом, соответствующим размеру зерен базового ниобия, а также содержит места, которые могут быть идентифицированы как микрозакоротки между электродами. Наши данные по

анодной спектроскопии согласуются с результатами этих исследований. сШЛК на склонах пика окисла характеризует доокисление слоев, содержащих как молекулы окисла алюминия, так и помы металла (с одной стороны - из-за нестехиометрии и несплошности окисного слоя, а с другой - в силу волнистости границ раздела ИЪ/АЮх и АШЬ).

Оценка толщины алюминия, ушедшего на образование кислородосодержащих слоев, по ширине окисных пиков дает: для кривой б - Д1!=12В, <1д1=10,2 нм, для кривой в - Ди=4В, (1*1=3,4 нм, для кривой г - Ди=7В, <1лг=6,0 нм.

Рис.9. Морфология поверхности ниобиевой Рис. 10. Морфология поверхности алюминиевой пленки. пленки.

Толщина окисла, рассчитанная по середине высоты пиков в предположении, что он имеет состав А12Оз, дает для кривых виг -2,6 нм и 3,9 нм соответственно. Для кривой б такой расчет нам кажется неправомерным, поскольку по малой высоте пика профиля анодирования видно, что состав кислородосодержащего слоя в нем очень далек от стехиометричиого окисла.

Оценим величину шероховатости поверхности алюминия, граничащей с окисным слоем. Заметим, что по данным электронной микроскопии шероховатость поверхности алюминия составляет 2-5нм (Рис.10). По ширине заднего склона кислородосодержащего пика получаем: ди**9В, (!<*= 7,7 нм -для термического, для кривой в - Д11=3,5В, Лоь.= 3,0 нм -для окисления в разряде магнетрона, для кривой г - ди=6В, ^=5,2 нм - для комбинированного окисления.

Для объяснения полученных результатов можно предложить следующую модель. При термическом окислении кислород не только окисляет поверхность пленки алюминия, но и проникает в межзеренные границы, образуя кислородосодержащую область значительной толщины. При окислении в плазме магнетрона область со спаданием содержания* кислорода практически совпадает с величиной шероховатости граничащего с ней алюминия. Похоже, что диффузионного внедрения кислорода в границы зерен за малое время и при небольшом давлении при плазменном окислении не происходит. Более того, поскольку плазменное окисление является процессом, стимулируемым электрическим полем, должен проявляться эффект сглаживания окисляемой поверхности, аналогично происходящему при анодном окислении. Таким образом, граница раздела окисного слоя с алюминием должна иметь незначительную шероховаггость, как и показывают профили анодирования. При смешанном окислении, когда длительная экспозиция в кислороде при достаточно высоком давлении проводится после окисления в плазме, происходит некоторое утолщение окисного слоя, однако глубокого проникновения кислорода в границы зерен не происходит, поскольку они "заблокированы" плазменным окислом.

Измерения вольтамперных характеристик джозефсоновских переходов, на базе структур ЫЬ/А10х-А1/МЬ со слоем А!Ох, полученным при окислении в плазме магнетрона и при комбинированном окислении при толщинах алюминия 7,0-8,0 нм, площадью 10x10 мкы2 показали, что параметр качества при окислении в плазме магнетрона достигает 15, (рис. 11, а), при

комбинированном окислении - 25 (рис. 11, б), в то время как при термическом он не превышает 13. Параметр Ут для первого образца имеет значение 40 шУ, а для образца, окисленного в комбинированном режиме, он достигает значения 60 шУ (Рис.7).

Рис.11 а - вольтамперная характеристика джозефсоновского перехода с барьерным окислом, полученным в плазме магнетрона.; 6 - вольтамперная характеристика джозефсоновского перехода с барьерным окислом, подученным комбинированным окислением.

Таким образом, можно сделать вывод, что окисный барьер, получаемый окислением в плазме магнетрона, более качественный, чем сформированный при термическом окислении.

При формировании конфигурации туннельных переходов, в том числе джозефсоновских, необходимо решить две основные задачи: формирование площади перехода заданного размера; разделение пленок электродов вне площади перехода. В случае формирования туннельных контактов с электродами из тугоплавких материалов, образующих диэлектрические анодные окислы, эта задача может решаться при помощи процесса анодного окисления электродов.

Для изготовления высококачественных СТП структур с целью использования их в наблюдательной астрономии оптического диапазона, был использован метод двустадийного анодирования.

Исходные структуры Nb/AlOx-Al/Nb напыляются в едином вакуумном цикле (Рис. 12). Площадь перехода при этом формируется с помощью двух процессов анодирования (two -anodization process - ТАР). Целью создания этого процесса является упрощение и удешевление технологий изготовления, сокращение времени разбраковки образцов и оценки их параметров, увеличение выхода годных изделий и снижение их себестоимости, получение изделий, защищенных от внешней среды и механических воздействий.

Поставленная цель достигается тем, что при формировании площади туннельного контакта производится совместное анодирование верхней пленки исходной трехслойной структуры, имеющей рисунок нижнего электрода с анодированными торцами, и сформированной в отдельно напыленном контактном слое линии разводки к СТП. При этом анодное окисление проводится при контроле dU/dt.

Поставленная цель достигается следующими техническими решениями: • Применением простого, быстрого, не приводящего к неконтролируемому уходу размеров процесса жидкостного анодирования вместо реактивного ионного травления, требующего сложного дорогостоящего вакуумного оборудования, длительного процесса вакуумной откачки, принятия специальных мер защиты от токсичных продуктов травления.

• Отбраковка и оценка параметров туннельных контактов проводится методом анодной спектроскопии при контроле процесса анодирования, без дополнительной операции контроля, а также до измерения в жидком гелии.

• Использованием в качестве слоя, защищающего изделие от внешней среды и механических воздействий, анодного окисла, который образуется в процессе анодирования при формировании площади туннельного контакта.

В результате применения ТАР-способа получается качественно новое изделие с повышенной стабильностью характеристик при высоком выходе годных и пониженной себестоимости.

Применение предлагаемого способа заключается в следующем:

• На подложке в едином вакуумном цикле создают сплошную пленочную структуру: нижний электрод-туннельный барьер-верхний электрод (Рис.12, а). При этом пленки электродов выполнятся из маггериалов, поддающихся анодному окислению (ЫЬ, А1 и др.). Пленка верхнего электрода должна обеспечивать проведение анодного окисления на всю его толщину без пробоя окисла или маски для анодирования.

• С помощью фотолитографии и химического травления формируют конфигурацию трехслойной структуры по рисунку нижнего электрода по маске из фоторезиста или другого диэлектрического материала. Без снятия маски проводят анодное окисление торцов (Рис. 12, б) в режиме постоянного тока. Окисление торцов проводится при плотности тока ¿¡=0,1-1,0 мА/см2 до напряжения 11-15-80 В. Такие режимы позволяют получить изоляцию торцов, избежав анодирования под маской из фоторезиста и получить пленку анодного окисла на торцах, успешно выдерживающую напыление контактного слоя.

• После удаления старой маски наносят новую маску из фоторезиста или электронного резиста по обратному рисунку контактных линий для взрывной литографии контактного слоя (Рис.12, в).

• Образец помещают в вакуумную камеру и, очистив его поверхность ионным пучком для обеспечения сверхпроводящего контакта между верхним электродом и контактным ниобием, напыляют контактный слой. После извлечения образца из вакуумной камеры получают рисунок контактных линий взрывной литографией (Рис.12, г).

• Проводят анодирование поверхности образца (кроме контактных площадок, которые закрывают фоторезистом) в режиме постоянного тока, контролируя <Ш/Л в процессе анодного окисления (Рис.12, д). При достижении фронтом анодирования барьерного слоя появляется пик на профиле анодирования и окисление прекращают.

в в ■

по рисунку нижнего электрода, 2-верхний электрод, 3-туннелъный барьер, 4-нижний электрод, 5-подложка, б-анодный окисел, 7-фоторезист для взрывной литографии контактного ниобия, 8-фоторезистивная маска для защиты контактных площадок при анодировании, 9-контактный слой, 10-анодный окисел.

В четвертой главе приведены экспериментальные результаты работы: При температуре 4,2 К измерены основные параметры, характеризующие СТП, такие как: критический ток 1с; сопротивление нормального туннелирования Ян; подщелевое сопротивление „напряжение, характеризующее энергетические щели сверхпроводниковых электродов Ут=Д=Д1+Д2-1с- качество диэлеюрического слоя тонкопленочного перехода, которое характеризует величина — отношение сопротивлений одночастичного туннелирования при

напряжениях, ниже и выше напряжения сверхпроводящей щели на реальной вольтамперной характеристике (ВАХ).

Для СТП МЬ/АЮх-А1/ЫЬ хорошего качества - Г^ принято измерять при 2 мВ, а Яы - при 4 мВ. (Рис. 13).

Непосредственное измерение вольтамперных характеристик джозефсоновского перехода осуществлялось четырехзондовым методом в жидком гелии с помощью специально разработанного и изготовленного стенда, включающего: криоствт, зондовую технику (Рис.14), необходимую электронику, программное обеспечение.

Рис.14. Головка криозонда. 1-несущая труба, 2-измерительная головка, 3,4,5,9-сверхпроводящие экраны, 6-оптоволокно, 7-зеркало, 8-корпус сверхпроводящей катушки, 10-СТП, 11-токовые терминалы СКВИДА, 12-СКВИД, 13-контактные площадки, 14-ппата фильтров, 15-элементы фильтров.

Структурная схема эксперимента приведена на рис. 15. Прямоугольные импульсы частотой 1 Гц с генератора подаются на светодиод. Модулированное таким образом излучение светодиода мощностью 100 мкВт через аттенюатор и оптическое волокно попадает на СТП. СТП и СКВИД находятся в гелиевом криостате при температуре 4,2 К. Импульсы тока отклика с СТП величиной порядка 10 нА поступают на СКВИД. Блок электроники производит одновременную регистрацию выходного сигнала со СКВИДа и сигнала генератора. В течение двух минут производится накопление этих сигналов посредством АЦП на компьютере в виде файлов.

Рис.13. Типичная вольт-амперная

характеристика джозефсоновского

перехода.

'с

1оер-

V

Кркотт

СКВИД {-

СТД

1

Рис.15. Схема эксперимента по калибровке.

Ток в контакт задавался через ограничивающее и шунтирующее сопротивления, которые можно выбирать с помощью коммутаторов. Напряжения и ток усиливались с помощью дифференциальных усилителей с низким уровнем шума и малым дрейфом (ТУЬ 2442СЭ) для того, чтобы уменьшить влияние внешнего оборудования на исследуемый контакт. Напряжение на контакте постоянно подавалось на х-вход осциллографа На его у-вход подавалось напряжение, снятое с ограничивающего сопротивления, а также опорное напряжение, которое можно вручную изменять и наблюдать независимо. Достигнуты следующие параметры: К/Кц=13, У„=60 мВ.

Для калибровки предлагается использовать светодиод с излучением в красной области спектра с минимальной энергией фотонов Ео - 1,65 еУ. В таком случае демонстрация возможностей применима ко всему видимому диапазону. С помощью светодиода можно получить излучение мощностью Рщл ~ 0.35 Вт. Эта мощность может быть уменьшена до 35 мкВт. Принимая во внимание инерционность светодиода, может быть использована только низкочастотная модуляция (около 1 Гц). Для простоты используем прямоугольные импульсы длительностью 0,5 с. В результате получим следующее значение энергии импульса:

Ензл= Рял-1 = 0.175 1=1014еУ (5)

при числе фотонов

Иф = Еюл/Ео = 6-1013 (6)

Отклик СТП на основе ]ЧЬ может быть вычислен через поток фотонов Кф= Рмл/Ео=2-10 м фотон/с (7)

Так как энергетическая щель ИЬ Амь = 1.5 теУ, идеальная квантовая эффективность по отношению к квазичастицам (яр) для красного света равна:

N0= Ео/1.7Дцъ, (8)

около 1000 яре/фотон. Принимая во внимание время жизни квазичастиц, которое составляет несколько наносекунд, реальная квантовая эффективность (20 % - 70 % от идеальной) может быть оценена как 1р = 10"* А.

В этой связи необходимо принять во внимание приемлемый уровень токов во входной катушке СКВИД-магнетометра, работающего в качестве пикоамперметра. Значение тока может быть вычислено из соотношения:

Ф = М1 (9)

для СКВИД-магнетометра. Экспериментальное значение М = 0.2 цА/Ф0 Фо = 2-10'15 \УЬ, (10)

Где \УЬ - квант магнитного потока. Калибровка нашего СКВИД-магнетометра производится с помощью пульсаций магнитного поля амплитудой Вы = 100 пТ при котором входящий магнитный поток

Фы = Вс-в = б В0шФ (11)

для стандартной входной катушки СКВИДа диаметром 2 см. В результате получаем оценку для амплитуды калибровочног тока СКВИДа

1с.1 = Ф«1/М=1пА. (12)

Принимая во внимание, что разрешение по магнитному полю в единицах частоты Фмяк = 6 цФцЛ/Нг (13)

и что типичный диапазон частот около 100 Hz, мы можем получить разрешение но полю 8Ф = 60 цФ0. Рассчитанное из этого разрешения по полю соответствующее разрешение по току для пикоамперметра, основанного на СКВИДе,

1«»« = 1 рАЛ/Hz and 81 = 10 рА. (14)

Таким образом, для хорошего отношения сигнал-шум по отношению к внутренним шумам СКВИДа (>10) при калибровке выходной ток СТП должен быть не менее чем Imm=100 рА, а предпочтительным диапазоном токов является от Ism (100 рА) до 1п»х (10 пА). Максимальный ток ограничен динамическим диапазоном СКВИДа (а также используемым АЦП). Сравнивая I, и Inuo, мы видим, что необходимая мощность излучения, падающего на СТП, должна составлять 1100 ixW. На практике такой уровень излучения может быть достигнут ослаблением мощности излучения от светодиода. Таким образом, с помощью СКВИДа можно детектировать выходной сигнал от СТП при использовании облучения мощностью 35 рЛУ.

Основные выводы по результатам работы

• На основании сравнительного анализа установлено, что по совокупности основных параметров, таких как, широкий диапазон спектральной чувствительности - 330-800 нм, высокая квантовая эффективность - 70% при 500 нм, высокая чувствительность, возможность работы в масштабе реального времени, высокое временное разрешение - 10 кГц/пике, энергетическое разрешение Х/ДХ - 8-13 при 500 нм, детекторы на основе сверхпроводниковых туннельных переходов наиболее перспективны для исследования космического излучения в астрономии.

• Впервые предложена оптическая схема спектрографических измерений с высоким разрешением на основе СТП, позволяющая увеличить потенциальное качество прибора более чем в 100 раз.

• Разработан технологический процесс изготовления СТП, в рамках которого:

• Получены ниобневые пленки, имеющие температуру перехода в сверхпроводящее состояние близкую к температуре сверхпроводящего перехода массивного ниобия и малую шероховатость поверхности (порядка 5 нм).

• Сформирован сплошной однородный алюминиевый слой (8нм), обеспечивающий получение высококачественного окисного слоя с диэлектрическими параметрами е = 30, Vm = 60 мВ, при температуре жидкого гелия.

• Методами локального жидкостного анодирования и атомно-силовой микроскопии полученных пленок, входящих в структуру Nb/AlxOy-AI/Nb н границ раздела между ними, установлено, что проведение осаждения ниобиевых и алюминиевых пленок магнетронами постоянного тока и формирование окисного слоя комбинированным способом обеспечивает получение структур с высокими эксплуатационными параметрами - Rj/RN=13, Vm=60 мВ при гелиевых температурах.

• Разработан технологический процесс и изготовлены четыре типа микросхем для спектроскопических и фотометрических измерений астрономических объектов в диапазоне длин волн 300-700 нм.

• С целью исследования фотоотклика структур при температуре жидкого гелия (Т=4,2К), разработана модель СТП, учитывающая влияние подслоя алюминия на электрофизические параметры ниобиевой пленки - «эффект близости».

• Предложена методика калибровки СТП посредством магнигокардиографического комплекса "SQUID". Показано, что для удовлетворительного качества параметра сигнал/шум (SNR>50), при Т=4,2 К, необходимое время накопления сигнала должно составлять порядка 2500 сек. Минимальное значение детектируемой мощности составляет порядка 35 |xW.

• Разработан и изготовлен стенд, позволяющий проводить исследования вольтамперных характеристик тестовых структур при гелиевых температурах (4,2 К). Произведены измерения наиболее качественных структур (по данным жидкостного анодирования). Достигнутые параметры качества R/Rn=13, Vm=6Û мВ, позволяют предположить, что при экстраполяции к более низким температурам (от 4,2 К до 0,3 К), СТП, сформированные по данной технологии, могут быть использованы в качестве детекторов фотонов и иметь в видимом диапазоне длин волн разрешение порядка нескольких квантов.

Публикация по теме диссертационное работы:

1. Драбек С.В, Сеченов Д.А., Якопов Г.В. Состояние и перспективы использования детекторов на сверхпроводниковых туннельных переходах // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Таганрог. -2002. Часть2. - с. 8-9.

2. Якопов Г.В., Сеченов Д.А., Драбек C.B. Применение детекторов на сверхпроводниковых туннельных переходах в оптической астрономии // Проектирование и технология электронных средств. Владимир. -2002 №4. - с.44-46.

3. Будник H.H., Лебедева Т.С., Сеченов ДА., Шпилевой П.Б., Якопов Г.В. Разработка технологии формирования сверхпроводниковых туннельных переходов (СТП) для оптической астрономии // Перспективные информационные технологии и интеллектуальные системы. Киев. -2004 №1(17) - с.57-61.

4. Lebyedyeva T., Budnyk M., Shpylovyy P., Yakopov G., Voytovych I. Possibility for calibrating of STJ-based optical detector with the help of SQUID. // ESA - WOLTE6. Noordwick. -2004. - p. 307-311.

5. Лебедева T.C., Сеченов Д.А., Шпилевой П.Б., Якопов Г.В. Применение контролируемого анодного окисления для изготовления и экспресс-контроля СТП структур // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Таганрог. -2004. - с.240-244.

6. Якопов Г.В., Шпилевой П.Б., Падалка В.В. Сверхпроводниковые туннельные переходы. // Физико-математические науки в СГУ. Ставрополь. -2005. - с. 48-50.

7. Якопов Г.В., Шпилевой П.Б., Падалка В.В. Сверхпроводниковые туннельные переходы в оптическом эксперименте. // Физико-математические науки в СГУ. Ставрополь. -2005. - с. 50-52.

8. Падалка В.В., Панчук В.Е., Якопов Г.В. Возможные применения эффекта сверхпроводниковых туннельных переходов (СТП) в спектроскопии. // Физико-математические науки в СГУ. Ставрополь. -2006. - с. 210-212.

9. Войтович И.Д., Лебедева Т.С., Шпилевой П.Б., Якопов Г.В. Разработка технологии формирования сверхпроводниковых туннельных переходов для детекторов излучения. // Компьютерные средства, сети и системы. Киев -2006. - с. 35-42.

10. Yakopov G., Yushkin M., Panchuk V. Prospects of application of STJs in high-resolution astronomy. //ESA - WOLTE7. Noordwick. -2006. - p. 291-297.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично Якопову Г.В. принадлежат результаты:

В работе [1] обзор и анализ литературных данных по СТП.

В работе [2] реализация возможностей применения СТП в астрономических приложениях.

В работе [3] разработка технологического процесса, проведение экспериментальных

исследований, интерпретация результатов исследований.

В работе [4] методика расчета калибровки детекторов на основе СТП.

В работе [5] разработка методики контроля параметров СТП.

В работах [6-8, 10] расчет параметров СТП под условия спектральной аппаратуры,

используемой на БТА.

В работе [9] Разработка технологии формирования СТП для детекторов излучения.

Тип.ТРТУ Заказ №2ЯРгир. /¿ХЪкз.

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ.

1.2 ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ДЕТЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ СТП.

1.3 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТП.

1.4 СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТП.

ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК НИОБИЯ, АЛЮМИНИЯ И ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР

• НА ИХ ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫМ ИСПАРЕНИЕМ.

SNAP-ПРОЦЕСС.

RHEA-ПРОЦЕСС.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУР Nb/AlxOy-Al/Nb, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫМ ИСПАРЕНИЕМ МЕТОДОМ АНОДНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ.

ВЫВОДЫ.

2 АНАЛИЗ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ И ВЛИЯНИЯ ЭФФЕКТА БЛИЗОСТИ НА СВОЙСТВА СТП.

2.1 ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ В СПЕКТРОСКОПИИ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ.

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ТУННЕЛЬНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СПЕКТРОГРАФЕ

СКРЕЩЕННОЙ ДИСПЕРСИИ.

ВОЗМОЖНЫЕ ВАРИАНТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИЕМНИКОВ НА ОСНОВЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ НА БОЛЬШОМ ТЕЛЕСКОПЕ

АЗИМУТАЛЬНОМ.

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ТУННЕЛЬНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ

ФАБРИ-ПЕРО.

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ТУННЕЛЬНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В СПЕКТРОПОЛЯРИМЕТРЕ 60 СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ТУННЕЛЬНЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ФОТОМЕТРИИ.

2.2 ВЛИЯНИЕ ЭФФЕКТА БЛИЗОСТИ НА СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ.

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ВЛИЯНИЯ.

ПОНИЖЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В СИСТЕМЕ НИОБИЙ-АЛЮМИНИЙ

УМЕНЬШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЩЕЛИ.

СИГНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА.

ВРЕМЕННЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ.

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ.

ТОК УТЕЧКИ СТП.

ШУМОВЫЕ СВОЙСТВА СТП.

ВЫВОДЫ.

3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТП.

3.1 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ Nb/AlIOy-AI/Nb.

ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК НИОБИЯ, АЛЮМИНИЯ И ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР

НА ИХ ОСНОВЕ МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО БАРЬЕРНОГО ОКИСЛА СТРУКТУРЫ Nb/A10x-Al/Nb, ПОЛУЧЕННОЙ МАГНЕТРОННЫМ

РАСПЫЛЕНИЕМ.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУР Nb/A10x-Al/Nb С РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ ПОЛУЧЕНИЯ ОКИСЛА.

3.2 МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОНФИГУРАЦИИ СТП.

SNEP - ПРОЦЕСС.

ТАР - ПРОЦЕСС.

3.3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТОПОЛОГИИ.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ СТП.

3.4 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ СТРУКТУР.

АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ.

АНОДНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ.

СУЩНОСТЬ МЕТОДА АНОДНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ. ФОРМИРОВАНИЕ АНОДНЫХ

ОКИСНЫХ ПЛЕНОК.

АНОДИРОВАНИЕ СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЫ. ф ВЫВОДЫ.

4. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ.

4.1 ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУЧЕННЫХ СТРУКТУР. k 4.2 ВОЗМОЖНОСТЬ КАЛИБРОВКИ СТП ПОСРЕДСТВОМ

МАГНИТОКАРДИОГРАФИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА «СКВИД».

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ.

СХЕМА КАЛИБРОВКИ.

ВЫВОДЫ.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

В настоящее время на Большом телескопе азимутальном Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (БТА САО РАН) с диаметром главного зеркала 6м для выполнения спектроскопических и спектрополяриметрических наблюдений с высоким и умеренным спектральным разрешением используются эшелле спектрографы, работающие в режиме скрещенной дисперсии. Такая оптическая схема позволяет получить высокое спектральное разрешение, однако, из-за большого количества диспергирующих элементов уменьшается светосила прибора. Даже в лучших современных спектрографах теряется порядка 90% света. Для оценки эффективности того или иного спектрального прибора, а также для сравнения спектральных приборов друг с другом, существует величина, называемая потенциальным качеством и представляющая собой произведение спектрального разрешения спектрографа, светосилы системы спектрограф + приемник излучения, количества одновременно регистрируемых элементов спектра и временного разрешения приемника излучения.

В то же время, светоприемники на основе сверхпроводниковых туннельных переходов (СТП) обладают возможностью детектирования единичного фотона с определением его энергии, являясь, по сути, спектрометрами. Однако, собственного спектрального разрешения СТП (А/ДА, ~ 10 в оптическом диапазоне) для серьезных спектроскопических исследований недостаточно. По этой причине в мире до сих пор детекторы на основе СТП использовались исключительно в фотометрических приложениях. В работе рассматривается возможность комбинирования СТП с различными оптическими схемами, с целью повышения потенциального качества прибора в целом. Оценивается выигрыш в эффективности наблюдений на спектрографах в сочетании с линейкой СТП-приемников относительно вариантов наблюдений с матрицей ПЗС. Предложенная методика позволит применять СТП в спектроскопии высокого разрешения.

Повышенный интерес к детекторам на основе СТП связан с рекордно высокой чувствительностью таких структур, обусловленной природой сверхпроводимости. Так, минимальное значение энергии, необходимое для разрыва куперовской пары в сверхпроводнике и создания свободных носителей заряда, крайне мало (единицы мэВ), - на 3 порядка меньше величины энергии, которую несет единичный фотон видимой области спектра. Энергия же выхода полупроводника составляет электронвольты и сравнима с энергией фотона. Это фундаментальное отличие позволяет рассматривать сверхпроводники чрезвычайно перспективными для использования в качестве детекторов фотонов от рентгеновского до оптического и ближнего инфракрасного диапазонов, поскольку дает возможность не только обнаружить отдельные фотоны с определением их энергии, но и позволяет создать детектор с рекордным быстродействием (порядка 104 событий/пиксельхсек).

СТП находят применение в самых различных областях - от детектирования элементарных частиц в ядерной физике до детектирования излучений в рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного излучения.

Такие детекторы имеют огромные потенциальные возможности в развитии инструментальной астрономии, которые обусловлены:

• широким диапазоном спектральной чувствительности (330-800 нм)

• высокой квантовой эффективностью - 70% при 500 нм

• высокой чувствительностью

• высоким временным разрешением -10 кГц/пике

• энергетическим разрешением У АХ - 8-13 при 500 нм

Наибольших успехов, на сегодняшний день, достигла научно-исследовательская группа из Голландии (Rando, Peacock), которая впервые успешно апробировала детектор на основе СТП на телескопе William Hershel в 1999 г. В России разработкой и изготовлением СТП занимаются в Институте радиотехники и электроники РАН, в лаборатории сверхпроводниковых устройств для приема и обработки информации. Впервые такие структуры использовались для регистрации рентгеновского излучения в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Скобелицина (МГУ).

Дель работы:

Целью данной работы является разработка и изготовление прототипов камерной головки твердотельного спектрального приемника на основе светочувствительных сверхпроводниковых туннельных переходов (СТП), для оснащения ими Большого телескопа азимутального Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (БТА САО РАН). Разработка технологии, изготовление опытных образцов детекторов, оснащение криогенными устройствами, электроникой и программным обеспечением производится на основе кооперации двух организаций - Специальной астрофизической обсерватории (САО) РАН и Института кибернетики (ИК) им. Глушкова НАН Украины.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Обобщение и систематизация имеющихся и используемых в настоящее время детекторов излучения в астрономии.

• Разработка прототипов камерных головок детекторов на основе СТП под условия имеющейся спектральной аппаратуры БТА САО РАН

• Оптимизация технологического процесса с целью получения качественных структур, удовлетворяющих высоким требованиям, предъявляемым к детекторам излучения.

• Исследования полученных структур методами жидкостного анодирования и атомно-силовой микроскопии.

• Разработка модели, учитывающей влияние подслоя алюминия на электрофизические параметры туннельной структуры - «эффект близости».

• Разработка методики калибровки СТП посредством магнитокардиографического комплекса "SQUID".

• Разработка и изготовление стенда для исследования вольтамперных характеристик тестовых структур при гелиевых температурах (4,2 К).

Научная новизна;

• Предложен способ использования СТП в спектроскопии высокого разрешения.

• Разработаны основы технологии формирования СТП, базирующиеся на процессе с двустадийным анодированием (ТАР) Впервые получены светочувствительные элементы, изготовленные по ТАР - технологии с применением метода контролируемого окисления.

• Разработана модель СТП, учитывающая влияние подслоя алюминия на электрофизические параметры туннельной структуры - «эффект близости»

• Предложен метод калибровки СТП посредством магнитокардиографического комплекса «SQUID», позволяющий получить фотоотклик при температуре 4,2 К.

Практическая значимость:

• Получены пленки ниобия с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние (Тс) близкой к Тс массивного ниобия, что свидетельствует о высоком качестве пленок.

• Отработана методика формирования сплошного однородного алюминиевого слоя толщиной 8 нм, обеспечивающего получение высококачественного окисного слоя. Показано, что наилучшие результаты получены при использовании комбинированного окисления.

• Разработаны и изготовлены четыре типа тонкопленочных микросхем для спектрографических и фотометрических исследований космического излучения.

• Разработан и изготовлен стенд для измерения параметров СТП в жидком гелии, включающий криостат, зондовую технику, необходимую электронику, программное обеспечение.

• Определены характеристики переходов при гелиевых температурах.

Основные положения выносимые на защиту:

• Метод использования СТП в спектроскопии высокого разрешения, адаптированный под условия реальной спектральной аппаратуры, функционирующей на телескопе БТА;

• Способ получения высококачественных пленок и барьерного окисного слоя для дальнейшего формирования СТП и тестовых структур.

• Метод калибровки СТП посредством магнитокардиографического комплекса "SQUID";

Апробация диссертационной работы:

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских (Физ.-мат. науки в СГУ 2005, 2006) и Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог - Дивноморское 2002, 2004, 2006), WOLTE - 6, 7, (Нидерланды 2004, 2006), научных семинарах САО РАН и кафедры технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры (ТМиНА) ТРТУ.

Работа поддержана Федеральным агентством по науке и инновациям в соответствии с государственным контрактом № 02.444.11.7071 от 5 сентября 2005 г.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Краткое содержание работы:

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведен анализ существующих типов детекторов для оптической астрономии, их классификация, сравнительные характеристики, произведен обзор существующих работ за рубежом, показана динамика развития СТП.

Дано обоснование выбора метода формирования тонкопленочных криоэлектронных наноструктур. Рассмотрены различные процессы формирования конфигурации наноструктур, такие как: SNAP - процесс, SNEP -процесс, RHEA - процесс. Рассмотрен ТАР-процесс - выбранный в качестве базового для изготовления СТП.

Указаны преимущества и недостатки перечисленных технологических процессов, обоснован выбор процесса с двустадийным анодированием - «ТАР».

Вторая глава посвящена расчету параметров СТП, адаптированных под существующую спектральную аппаратуру БТА. Показано, что СТП в сочетании с эшелле решеткой обеспечивает высокое спектральное разрешение. Приведены сравнительные характеристики различных схем. Обоснован выбор схемы эшелле+СТП в терминах потенциального качества, предложены альтернативные варианты применения СТП.

Рассмотрено влияние эффекта близости на свойства СТП. Показано, что для детекторов излучений на основе СТП эффект близости (ЭБ) не является однозначно негативным фактором, приводящим к ухудшению свойств сенсоров на основе СТП.

Третья глава посвящена отработке тонкопленочной технологии изготовления СТП. Исследовано влияние различных технологических процессов на конечные параметры пленок, такие как:

• Нижний Nb - кристаллическая структура, размер зерна и границ зерен, морфология поверхности, напряжения в пленке, примеси, сверхпроводящие характеристики.

• Слой А1 - кристаллическая структура, морфология, однородность по толщине, напряжения, резкость границы раздела с нижним Nb, сплошность покрытия ниобия алюминием.

• Барьерный слой А10х - состав, наличие примесей, толщина, однородность по толщине, наличие повреждений, связанных с напылением последующих слоев и термической обработкой, диффузионный слой на границе с верхним Nb.

• Верхний Nb - кристаллическая структура, размер зерна, морфология поверхности, напряжения в пленке, примеси, сверхпроводящие характеристики, резкость границы раздела с А10х.

Варьированием основных параметров технологических процессов, таких как: давление в вакуумной камере, скорость напыления, температурные режимы, толщины слоев, время окисления А1 и т.п., выявлены оптимальные условия получения качественных структур (приведены в приложении).

Проведены исследования свойств СТП структур методами атомно-силовой микроскопии и «анодной спектроскопии».

В четвертой главе приведена методика калибровки СТП с помощью магнитокардиографического комплекса "SQUID" ИК НАНУ.

Исследованы вольтамперные характеристики СТП в жидком гелии, при температуре 4,2 К.

Достигнутые параметры качества СТП - Rj/RN>10, Vm=60 мВ, позволяют полагать, что СТП, изготовленные по данной технологии, могут быть использованы в качестве детекторов фотонов, в том числе в светоприемных устройствах.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, приложения. Общий объем диссертации 158 стр., включая 49 иллюстраций, 9 таблиц, 13 стр. библиографии, 17 стр. приложений.

ВЫВОДЫ

Проведены измерения вольтамперных характеристик тестовых СТП в жидком гелии при температуре 4,2 К. Полученные характеристики (Rj/R.K=13, Vm=60 мВ) показывают, что данные структуры могут быть использованы в качестве детекторов фотонов и иметь в видимом диапазоне при температуре порядка 0,1-0,3 К энергетическое разрешение в несколько квантов [4].

Показана возможность калибровки СТП-детектора при помощи СКВИД-магнетометра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании сравнительного анализа установлено, что по совокупности основных параметров, таких как, широкий диапазон спектральной чувствительности - 330-800 нм, высокая квантовая эффективность - 70% при 500 нм, высокая чувствительность, возможность работы в масштабе реального времени, высокое временное разрешение - 10 кГц/пике, энергетическое разрешение У АХ - 8-13 при 500 нм, детекторы на основе сверхпроводниковых туннельных переходов наиболее перспективны для исследования космического излучения в астрономии.

2. Впервые предложена оптическая схема спектрографических измерений с высоким разрешением на основе СТП, позволяющая увеличить потенциальное качество прибора более чем в 100 раз.

3. Разработан технологический процесс изготовления СТП, в рамках которого: a. Получены ниобиевые пленки, имеющие температуру перехода в сверхпроводящее состояние близкую к температуре сверхпроводящего перехода массивного ниобия и малую шероховатость поверхности (порядка 5 нм). b. Сформирован сплошной однородный алюминиевый слой (8нм), обеспечивающий получение высококачественного окисного слоя с диэлектрическими параметрами е = 30, Vm = 60 мВ, при температуре жидкого гелия.

4. Методами локального жидкостного анодирования и атомно-силовой микроскопии полученных пленок, входящих в структуру Nb/AlxOy-Al/Nb и границ раздела между ними, установлено, что проведение осаждения ниобиевых и алюминиевых пленок магнетронами постоянного тока и формирование окисного слоя комбинированным способом обеспечивает получение структур с высокими эксплуатационными параметрами -Rj/RN=13, Vm=60 мВ при гелиевых температурах.

5. Разработан технологический процесс и изготовлены четыре типа микросхем для спектроскопических и фотометрических измерений астрономических объектов в диапазоне длин волн 300-700 нм.

6. С целью исследования фотоотклика структур при температуре жидкого гелия (Т=4,2К), разработана модель СТП, учитывающая влияние подслоя алюминия на электрофизические параметры ниобиевой пленки - «эффект близости».

7. Предложена методика калибровки СТП посредством магнитокардиографического комплекса "SQUID". Показано, что для удовлетворительного качества параметра сигнал/шум (SNR>50), при Т=4,2 К, необходимое время накопления сигнала должно составлять порядка 2500 сек.

8. Разработан и изготовлен стенд, позволяющий проводить исследования вольт-амперных характеристик тестовых структур при гелиевых температурах (4,2 К). Произведены измерения наиболее качественных структур (по данным жидкостного анодирования). Достигнутые параметры качества Rj/RN=13, Vm=60 мВ, позволяют предположить, что при экстраполяции к более низким температурам (от 4,2 К до 0,3 К), СТП, сформированные по данной технологии, могут быть использованы в качестве детекторов фотонов и иметь в видимом диапазоне длин волн разрешение порядка нескольких квантов.

1. Эклз М.Дж, Сим М.Э. Триттон К.П. Детекторы слабого излучения в астрономии // «Мир» Москва. -1986.

2. J. Niemeyer, J. Н. Hinken, R. L. Kautz. Microwave induced constant-voltage steps at one volt from a series array of Josephson junctions. // Applied Physics Letters, 1984, v. 45, No. 4, p. 478 480.

3. J. Niemeyer, L. Grimm, W. Meier, J. H. Hinken, and E. Vollmer. Stable Josephson reference voltages between 0.1 and 1.3 V for high precision voltage standards. // Applied Physics Letters, 1985, v. 47, No. 11, p. 1222- 1223.

4. C. A. Hamilton, R. L. Kautz, R. L. Steiner and F. L. Lloyd. A practical Josephson voltage standard at IV. // IEEE Electron Device Letters, 1985, v. 6, p. 623 625.

5. C. A. Hamilton. Josephson voltage standards. // Review of Scientific Instruments, 2000, v. 71, No. 10, p. 3611 3623.

6. В. В. Шмидт. Введение в физику сверхпроводников. // Изд. второе, исправленное и дополненное В.В. Рязановым и М.В. Фейгельманом. М.: МЦНМО, 2000,398 с.

7. Кларке Дж. Сверхпроводящие квантовые интерференционные приборы для низкочастотных измерений. // В сб.: Слабая сверхпроводимость. Квантовые интерферометры и их применения. Под ред. Б.Б. Шварца и С. Фонера. — М.: Мир, 1980, с. 7 65.

8. R. Н. Koch, D. J. van Harlingen and J. Clarke. Quantum noise theory for the dc SQUIDs. // Applied Physics Letters, 1981, v. 38, p. 380 382.

9. J.P. Pekola, K.P. Hirvi, J.P. Kauppinen, M.A. Paalanen. Thermometry by arrays of tunnel junctions. // Physical Review Letters, vol. 73, November 1994, p. 2903 2906.

10. К.Р. Hirvi, J.P. Kauppinen, A. N. Korotkov, M.A. Paalanen and J.P. Pekola. Arrays of normal metal tunnel junctions in weak Coulomb blockade regime. // Applied Physics Letters, vol. 67, No. 14,1995, p. 2096 2098.

11. Д. В. Аверин, К. К. Лихарев. Когерентные колебания в туннельных переходах малых размеров. // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, ЖЭТФ, 1986, т. 90, номер 2, с.733- 738.

12. Т. A. Fulton and G. J. Dolan. Observation of single-electron charging effects in small tunnel junctions. // Physical Review Letters, 1987, v. 59, No. 1, p. 109 -112.

13. P. Delsing, К. K. Likharev, L. S. Kuzmin, and T. Claeson. Time correlated single-electron tunneling in one-dimensional arrays of ultrasmall tunnel junctions. // Physical Review Letters, 1989, v.63, No. 17, p. 1861-1866.

14. M.W. Keller, J.M. Martinis, N. M. Zimmerman, and A. H. Steinbach. Accucracy of electron counting using a 7-junction electron pump. // Applied Physics Letters, 1996, v. 69, No. 12, p. 1804 1809.

15. P. Lafarge, H. Pothier, E. R. Williams, D. Esteve, C. Urbina, and M.H. Devoret. Direct observation of macroscopic charge quantization. // Zeitschrift fur Physik, 1991, В 85, p. 327.

16. V. A. Krupenin, D.E. Presnov, M.N. Savvateev, H. Scherer, A. B. Zorin and J. Niemeyer. Noise in A1 single electron transistors of stacked design. // Journalof Applied Physics, 1998, v.84, No. 6, p. 32-35 (1998).

17. V. A. Krupenin, D. E. Presnov, A. B. Zorin and J. Niemeyer. Aluminum single electron transistors with islands isolated from a substrate. // Journal of Low Temperature Physics, 2000, v. 118, No. 5/6, p. 287 290.

18. V. A. Krupenin, D. E. Presnov, A. B. Zorin and J. Niemeyer. A very low noise single electron electrometer of stacked-junction geometry. Physica B, 2000, v. 284-288, p. 1800- 1803.

19. K. K. Likharev and V. K. Semenov. RSFQ logic/memory family: A new Josephson-j unction technology for sub-terahertz clock frequency digital systems. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1991, v. 1, No. 1, p. 3 23.

20. V. K. Kaplunenko, M. I. Khabipov, V. P. Koshelets, К. K. Likharev, O. A. Mukhanov, V. K. Semenov, I. L. Serpuchenko and A. N. Vystavkin. Experimental study of the RSFQ logic elements. // IEEE Transactions, on Magnetics, v. 25, p. 861 864.

21. P. I. Bunyk, A. Oliva, V. K. Semenov, M. Bhushan, К. K. Likharev, J.E. Lukens, M. B. Ketchen, W. H. Mallison. // Applied Physics Letters, 1995, v. 66, No. 5, p. 646-648.

22. W. Chen, A. V. Rylyakov, V. Patel, J. E. Lukens and К. K. Likharev. Superconductor digital frequency divider operating up to 750 GHz. // Applied Physics Letters, 1998, v. 73, No. 19, p. 2817 2819.

23. W. Chen, A.V. Rylyakov, V. Patel, J.E. Lukens and К. K. Likharev. Rapid single flux quantum T-flip flop operating up to 770 GHz. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1999, v. 9, No. 2, p. 3212 3215.

24. J. R. Tucker and M. J. Feldman. Quantum detection at millimeter wavelength. // Reviews of Modern Physics, 1985, v. 57, No. 4, p. 1055 1113.

25. N. Booth, D. Goldie. Superconducting particle detectors. // Supercond. Sci. Technol.- 1996.- p. 493-516.

26. Т. Peacock, P. Verhoev, N. Rando et. al. Superconducting tunnel junction as detectors for ultraviolet, optical and near infrared astronomy. // Astron. Astriphys. Suppl. 1997.- 123. - p. 581-587.

27. S. Shiki, C. Otani, H. Sato et. al. Development of a superconducting tunnel junction as optical detector. // RIKEN Rewiew.- 2002.- 47.- p. 7-9.

28. M. Kurakado, D. Oshawa, R. Katano et. al. Futher development of series-connected superconducting tunnel junction to radiation detection. // Rev. Sci. Instrum. 1997.- 68(10).- p. 3685-3696.

29. R. Cristiano, E. Esposito, L Frunzio, et. al, Nb-based Josephson junction devices for nuclear radiation detection: Design and preliminary experimental results. // J.Appl. Phys. 1994. 75 (10).- p. 5210-5217.

30. C.M. Wilson, K. Segal, L. Frunzio. Optical/UV single-photon imaging spectrometers using connected superconducting tunnel junction. // Nucl. Instr. Meth. in Phis. Res.,A.- 2000.- 444.- p. 449-452.

31. M. Perryman, F. Favata, A. Peacoc, N. Rando, B.G. Taylor. Optical STJ observations of the Crab Pulsar. // Astronomy and astrophysics.- 1999.- 346, L30,- p. 130-132.

32. N. Rando, A. Peacock, van Dordrecht, C.L. Foden et al, Nucl. Instrum. Meth. Phys. A313,173 (1992).

33. D.D.E. Martin, A. Peacock, P. Verhoeve, N. Rando, Developments in Superconducting tunnel junctions for the ultraviolet, optical and near infrared spectroscopy//Proc. ISEC 1997, Vol.3, S40, p.p. 89-91.

34. N. Rando, J. Verveer, P. Verhoeve, A. Peacock, S. Andersson, A. Reynolds, F. Favata, M. Perryman, D. Goldie. // S-Cam 2. Performance and initial astronomical results. ESLAB 2000/018/S A. Vol. 4008.

35. D. D. E. Martin, P. Verhoeve, A. Peacock, A. G. Kozorezov, J. K. Wigmore, H. Rogalla, R. Venn // Resolution limitation due to phonon losses in superconducting tunnel junctions. Appl. Phys. Lett. 88, 123510 (2006) (3 pages).

36. R. den Hartog, D. Martin, A. Kozorezov, P. Verhoeve, N. Rando, A. Peacock, G. Brammertz, M. Krumrey, D. Goldie, R. Venn. // Distributed Read-Out Devices for X-ray Imaging Spectroscopy. ESLAB 2000/023/SA, Vol.4012.

37. Roberto Cristiano. Working Group on Superconducting Bolometers and Detectors // SCENET-Eleclnmles Rome, December 1999.

38. R. Cristiano, E. Esposito, L Frunzio, et. al. Magnetic properties of annular Josephson junctions for radiation detecrors: Experimental results. Appl. Phys. Lett.- 2000.- 44(22).- p. 3389-3391.

39. Kortlandt J., van der Zant H. S. J., Schellingerhout A.J.G. et al. Niobium tunnel junction fabrication using e-gun evaporation and SNAP//Physica C, v. 171, 1990, pp. 513-517.

40. Simon W., Libermann W., bucher E. et al. Nb/Al-AlOx/Nb tunnel junction using electron beam evaporation//Jorn. Appl. Phys., v. 72., N 9, 1992, pp. 4474-4479.

41. Yanawadkar M.P., Baskaran R., Gireesan K. at al. High quality Nb/Al-AlOx-Al/Nb Josephson junctions by electron beam evaporation//Jpn. J. Appl. Phys., v. 33,1994, pp. L.1662-L1664.

42. Lebedeva T.S., Shpilevoy P.B. Control of size deviation in the thin-film elements using the anodization profiles of the edges// Сверхпроводниковая электроника и биомагнетизм.- Киев, 1994, с. 33-38.

43. Vojtovich I.D., Lebedeva T.S., Navala S. Ya. et al. Express-control of thin-film SQUD production by anodization spectroscopy//Appl. Supercond., 1994, v. 2, pp. 1323-1326.

44. Kroger H., Smiht L.N., Jillie P.W. Selective niobium anodization process for fabrication Josephson tunnel junctions //Jorn. Appl, Phys., v. 39, N 3, pp. 280282.

45. Kroger H., Smiht L.N., Jillie P.W. JAWS-SNAP refractory logic circuits/ЛЕЕЕ Trans, on Magn., v. 19, N 3,1983, pp. 1170-1173.

46. Hakagava H., Kurosawa I., Takada S. et al. Josephson 4-bit digital counter circuit made by Nb/Al-oxide/Nb junctions/ЛЕЕЕ Trans, on Magn., v. 23, N 2, 1987, pp. 739-742.

47. Lange G., Jacobson R., Hu Q. Micromachined millimeter wave SIS mixers.// JEEE Trans, on Appl. Supercond, vol. 5, N 2,1995, pp. 1087-1090.

48. Lee L.P.S., Arambula E.R., Hanaya G. et al. RHEA (Resist Hardning Etching and Anodization) Process for Fine-Geometry Josephson Junction Fabrication/ЛЕЕЕ Trans, on Magn., v. 27, N 2,1991, pp. 3133-3136.

49. Rowell J.M., Gurvitch M. and Greek J. Modification of tunnelling barriers on Nb by a few nanolayers of Al // Phys. Rev. B, v. 24,1981, pp. 2278-2281.

50. Kwo J., Wertheim K., Gurvitch M. et al. X-ray photoemission spectroscopy study of surface oxidation of Nb/Al overlayer structures //Appl. Phys. Lett., v. 40,1982, pp. 675-677.

51. Gurvitch M., Washington W.A. and Huggins H.A. High quality refractory tunnel junction utilizing thin aluminum layers //Appl. Phys. Lett., v. 42, 1983, pp. 472-474.

52. Chang C.C., Gurvitch M., Hwang D.M. et al. Auger-electron spectroscopy, transmission electron microscopy and scanning electron microscopy studies of Nb/Al/Nb Josephson junction structures // J. Appl. Phys., v. 61,1987, pp. 50895097.

53. Morohashi S. and Hasuo S. Experimental investigation and analysis for high-quality Nb/AlOx-Al/Nb Josephson junctions//J. Appl. Phys., v. 61, N 10, 1987, pp. 4835-4849.

54. Morohashi S. and Hasuo S. Cross-sectional transmission electron microscopy observation of Nb/AlOx-Al/Nb Josephson junctions //Appl. Phys. Lett., v. 58, N6,1991, pp. 645-647.

55. Morohashi S. and Hasuo S. Cross-sectional transmission electron microscopy study for Nb/AlOx-Al/Nb, Nb/ZrOx-Zr/Nb, and Nb/HfOx-HtfNb Josephson junctions//Appl. Phys. Lett., v. 63, N 16,1993, pp. 2285-2287.

56. Shiota Т., Imamura Т., Hasuo S. Fabrication of high quality. Nb/AlOx-Al/Nb Josephson junctions: III- Annealing stability of AlOx tunnel barriers// IEEE Trans, on Appl. Supercond., v. 2, N 4,1992, pp. 221-227.

57. Rando N., Wright A. C., Lumley J. et al. Transmission electron microscopy and atomic force microscopy analysis of Nb/Al-AlOx/Nb superconducting tunnel junction detectors// J. Appl. Phys., v. 78, N 8,1995, pp. 4099-4105.1. КГЛАВЕ 2

58. Зайдель A.H., Островская Г.В., Островский Ю.И. // Техника и практика спектроскопии. Изд.2, испр. и доп. М., Наука, 1976

59. Monin, D.N.; Panchuk, V.E. // Middle resolution echelle spectrograph "Crab". 2001, Preprint SAO, 159, p. 1-26.

60. Panchuk, V.E. // Stellar spectroscopy technique at BTA: implemented capabilities and prospects. 1999, Preprint SAO, 141, p. 1-13.

61. N.Rando, A.Peacock, F.Favata, M.Perryman // S-CAM: An imaging spectrophotometer based on superconducting tunnel junctions. ESA-ESTEC-2000.

62. Т.Ван-Дузер, Ч. Тернер, // Физические основы сверхпроводниковых устройств и цепей. Пер. с англ. М:Радио и связь, 1984. - 344 с.

63. G. Brammertz. // Characterization of superconducting tunnel junctions, p. 1-85.

64. B.B. Шмидт. // Введение в физику сверхпроводников. М:Наука, 1982. -278 с.

65. S.Ariyoshi, H.Matsuo, C.Otani et al. // Characterization of an STJ-based direct detector of submilirheter waves. IEEET on Appl. Superconductivity,2005.-p. 1-4.

66. Н.Бронштейн B.M., Семендяев Б.П., // Справочник по математике, М:Наука, 1990.947 с.1. КГЛАВЕ3

67. Imamura T.and Hasuo S. Fabrication of high quality Nb/AlOx-Al/Nb Josephson junctions: I sputtered Nb films for junction electrodes/ЛЕЕЕ Trans, on Appl. Supercond., v. 2, N 1,1992, pp. 1-12.

68. Imamura T. and Hasuo S. Fabrication of high quality. Nb/AlOx-Al/Nb Josephson junctions: II deposition of thin Al layers on Nb films // IEEE Trans, on Appl. Supercond., v. 2, N 2,1992, pp. 84-94.

69. Imamura T. and Hasuo S. Evaluation of AlOx barrier thickness in Nb Josephson junctions using anodization profiles // Appl. Phys. Lett., v.55 , 1989, pp. 2250 -2252.

70. Imamura T. and Hasuo S. Characterization of Nb/AlOx-Al/Nb junction structures by anodization spectroscopy // IEEE Trans, on Magn., v. 25, N 2, 1989, pp. 1131-1134.

71. Imamura T. and Hasuo S. Characterization of Nb/AlOx-Al/Nb junction structures by anodization profiles // J. Appl. Phys., v. 66, N 5, 1989, pp. 21732180.

72. Vojtovich I.D., Lebedeva T.S., Navala S. Ya. et al. Express-control of thin-film SQUD production by anodization spectroscopy//Appl. Supercond., 1994, v. 2, pp. 1323-1326.

73. Halbritter J. On the oxidation and on the superconductivity of niobium//Appl. Phys., v. A43, 1987, pp. 1-28.

74. Белевский В.П. и др. Сверхпроводящие свойства и их взаимосвязь со структурой пленок ниобия, полученных термоионным осаждением//Электронная техника, вып.5(Ш), с. 72-78.

75. Maezawa M., Aoyagi M., Kurosawa H.H. et al. Subgap characteristics of Nb/AlOx/Nb tunnel junctions with high critical current density/ЛЕЕЕ Trans.on Appl. Supercond., v. 5, N 2,1995, pp. 3073-3076.

76. Pringle J.P.S. The anodic oxidation of superimposed niobium and tantalum layers: theoiy/ZElectrochem. Acta, v. 25, 1980, pp. 1403-1421.

77. Pringle J.P.S. The anodic oxidation of superimposed metallic layers: theory//Electrochem. Acta, v. 25, 1980, pp. 1423-1437.

78. Morohashi S. and Hasuo S. Cross-sectional transmission electron microscopy observation of Nb/AlOx-Al/Nb Josephson junctions //Appl. Phys. Lett., v. 58, N6,1991, pp. 645-647.

79. Morohashi S. and Hasuo S. Cross-sectional transmission electron microscopy study for Nb/AlOx-Al/Nb, Nb/ZrOx-Zr/Nb, and Nb/HfOx-Hf/Nb Josephson junctions//Appl. Phys. Lett., v. 63, N 16, 1993, pp. 2285-2287.

80. Rando N., Wright A. C., Lumley J. et al. Transmission electron microscopy and atomic force microscopy analysis of Nb/Al-AlOx/Nb superconducting tunnel junction detectors// J. Appl. Phys., v. 78, N 8,1995, pp. 4099-4105.

81. Pringle J.P.S. The anodic oxidation of superimposed niobium and tantalum layers: theoiy/ZElectrochem. Acta, v. 25, 1980, pp. 1403-1421.

82. Pringle J.P.S. The anodic oxidation of superimposed metallic layers: theory//Electrochem. Acta, v. 25, 1980, pp. 1423-1437.

83. Gurvitch M., Washington M. A., Huggins H.A. High quality refractory Josephson tunnel junctions utilizing thin aluminium layers//Appl. Phys. Lett., v. 42, N5,1983, pp. 472-474.

84. Gurvitch M., Washington M. A., Huggins H.A. Preparation and properties of Nb Josephson junctions with thin Al layers //IEEE Trans, on Magn., v. 19, N 3, 1983, pp. 791-794.

85. Kim D. H., Gray J.H., Kang J. H. et al. Resistive measurement of the temperature dependence of the penitration depth of Nb in Nb/AlOx/Nb junctions//Jorn. Appl. Phys., N 12,1994, pp. 8163-8167.

86. Lebedeva T.S., Shpilevoy P.B. Control of size deviation in the thin-film elements using the anodization profiles of the edges// Сверхпроводниковая электроника и биомагнетизм.- Киев, 1994, с. 33-38.

87. Matsumura A., Takahashi Т. and Kurakado М. Effect of Al overlayer thickness on the leakage current of radiation detectors using Nb/Al-AlOx/Nb superconducting tunnel junctions // Jorn. Appl. Phys., v. 76, N 8, 1994, pp. 4761-4765.

88. Morohashi S. and Hasuo S. Experimental investigation and analysis for high-quality Nb/AlOx-Al/Nb Josephson junctions//J. Appl. Phys., v. 61, N 10, 1987, pp. 4835-4849.

89. Палмер Д., Дечер С. Изготовление микроэлектронных элементов цепей из сверхпроводящих пленок тугоплавких металлов/Шриборы для научных исследований, т. 44, N 11, 1973, с. 73-78.

90. Kroger Н., Smith L.N., Jillie D.W. Selective niobium anodization process for fabrication Josephson tunnel junctions //Appl. Phys. Lett., v. 39, N3, 1981, pp. 280-282.

91. Huggins H.A., Gurvitch M. Preparation and characterization of Nb/AlOx-Al/Nb josephson junctions //Jorn. Appl. Phys., v. 57,1985, pp. 2103-2109.

92. Shiota Т., Imamura Т., Hasuo S. Fabrication of high quality. Nb/AlOx-Al/Nb Josephson junctions: III- Annealing stability of AlOx tunnel barriers// IEEE Trans, on Appl. Supercond., v. 2, N 4,1992, pp. 221-227.

93. Gundlach К. H., Billon D., Lehnert T. et al. Double-barrier tunnel junctions for quasiparticle mixers//Jorn. Appl. Phys., v. 75, N 4,1994, pp. 097-4102.

94. Nevirkovets I.P., Kohlstedt H., Heiden C. Properties of multilayred Nb-based tunnel structures prepared with whole-wafer process//Cryogenics, v. 32, 1992, pp. 583-586.

95. Blamire M.G., Huang K.H., Somekh R.E et al. Direct observation of atomic planes in epitaxialmultilayers by anodization spectroscopy//Appl. Phys. Lett., v. 55, N 8, pp. 732-734.1. К ГЛАВЕ 4

96. N. Rando et al. // "S-CAM: A cryogenic camera for optical astronomy based on STJ", IEEE Trans, on Appl. Supercond. vol.10, pp. 1617-1625,2000.

97. N. Budnik et al., // "Pulse-relaxation oscillation SQUID magnetometer". Proc. 13 IMEKO World Congress. Torino, Italy, vol.3, pp. 2383-2387,1994.3. P. Verhoeve et al., 2001,http://astro.estec.esa.nl/SA-general/Recearch/Detectorsandoptics/home.html

98. A. Nakayama, H. Nagashima, J. Shimada, Y. Okabe. // Effects of Aluminum Over-layer Thickness on Characteristics of Niobium Tunnel Junction Fabricated by DC Magnetron Sputtering. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.5, No. 2, June 1995.