автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Свойства джозефсоновских переходов с прослойкой из сильно легированного аморфного кремния

Предисловие.

Глава 1. Введение.

1.1. Эффект Джозефсона. Джозефсоновские переходы и их параметры.

1.2. Механизмы протекания тока в джозефсоновских переходах.

1.3. Условия получения высококачественных переходов с непосредственной проводимостью.

1.4. Переходы с легированными полупроводниками.

1.5. Постановка задачи.

Глава 2. Технологические методы формирования функциональных слоев и джозефсоновской структуры NbVa-Si/Nbn.

2.1. Метод формирования пленок. Конструкция распылительного узла.

2.2. Нанесение пленок Nb и a-Si и их электрофизические свойства.

2.3. Высокочастотная ионная очистка поверхности.

2.4. Методика изготовления джозефсоновских переходов NbVa

Si/Nbn.

Краткие выводы.

Глава 3. Исследование структуры джозефсоновских переходов

NbVa-Si/Nbn.

3.1. Профильный ОЭС и POP анализ тестовых образцов джозефсоновской структуры NbVa-Si/Nbn и двухслойных структур NbVa-Si и a-Si/Nbn.

3.2. Исследование джозефсоновской структуры методом просвечивающей электронной микроскопии.

3.3. Исследование электрофизических свойств основных слоев ТДП и двухслойной структуры a-Si/Nbn.

3.4. Модель структуры ТДП NbVa-Si/Nbn.

Краткие выводы.

Глава 4. Исследование электрофизических свойств джозефсоновских переходов NbVa-Si/Nb11.

4.1. Методики и средства измерений электрофизических характеристик джозефсоновских переходов NbVa-Si/Nbn.

4.2. Вольтамперные характеристики переходов NbVa-Si/Nbn.

4.3. Температурные зависимости основных электрофизических параметров ТДП М^/а-Б^11.

4.4. Влияние магнитного и СВЧ полей на характеристики ТДП.

4.5. Исследование зависимостей основных электрических параметров переходов ^/а-ЗШЬ11 от толщины а-Б¡-прослойки.

4.6. Физическая модель ТДП М^/а-БШЬ11.

Краткие выводы.

Глава 5. Сверхпроводниковые интегральные схемы на основе

ТДП М^/сх^ШЬ11.

5.1. Сверхпроводниковые СВЧ ИС на основе ТДП.

5.2. ПТ-сквиды на основе ТДП М^/а-БШ)11.

5.3. Сверхпроводниковые ИС с квантами магнитного потока.

Краткие выводы.

В 1962 году Брайан Джозефсон предсказал [1] эффект, возникающий в слабых электрических контактах двух сверхпроводников, который в последствии был назван его именем. Открытие данного эффекта послужило мощным толчком в развитии сверхпроводниковой электроники. Изучение явлений в слабосвязанных сверхпроводниках началось уже с конца 60-х годов. В 70-х годах начались активные работы по разработке джозефсоновских переходов и простейших схем на их основе во многих лабораториях мира, включая фирму IBM в США, а также научные лаборатории в России.

К началу 80-х годов сложилась ситуация, когда стало очевидным, что, несмотря на предсказанное высокое быстродействие джозефсоновских переходов, — характерное время переключения ~ 10"13 с, схемы на основе шунтированных туннельных переходов оказались на два - три порядка хуже по быстродействию и практически не давали преимуществ перед полупроводниковыми схемами. Кроме того, ставка сделанная рядом фирм, и в том числе IBM, на джозефсоновские переходы на основе сплавов свинца не оправдалась, как по стабильности свойств переходов, так и с технологической точки зрения.

Возникшая ситуация привела к активному поиску новых конструкций джозефсоновских переходов с меньшей емкостью, а также к разработкам джозефсоновских переходов на основе тугоплавких сверхпроводников и особенно ниобия. Предложенная Лихаревым конструкция джозефсоновского перехода в виде металлического мостика переменной толщины, хотя и была лишена основного недостатка туннельного перехода, но оказалась трудно реализуемой технически. Применение в качестве материала перемычки нормального металла позволило значительно уменьшить паразитную емкость, однако, с другой стороны, привело к снижению основных электрических параметров переходов. Изучение джозефсоновских переходов с прослойкой или перемычкой из нормального металла потребовало от теоретиков более подробного рассмотрения влияния эффекта близости на свойства джозефсоновских переходов.

С целью получения оптимальных параметров джозефсоновских переходов усилия многих исследователей были направлены на изучение переходов с прослойкой из полупроводника. Были попытки использования различных полупроводников, в том числе и светочувствительных полупроводников. Все попытки рассмотрения таких переходов основывались на представлениях зонной структуры металл - полупроводник — металл. Не рассматривалось состояние границ раздела и влияние их на свойства перехода. Не учитывались электрофизические свойства самой прослойки и их связь с параметрами перехода. Использование слабо легированных полупроводников приводило к получению лишь низкокачественных туннельных переходов. Отдельные эксперименты с прослойкой из сильно легированного полупроводника демонстрировали возможность получения качественных параметров переходов, однако отсутствие воспроизводимой технологии не позволило провести подробные исследования их свойств.

Кроме того, при исследовании других типов джозефсоновских переходов выяснилось, что еще не все явления в слабосвязанных сверхпроводниках хорошо изучены. Так, например, не удавалось объяснить свойства и практически идеальную вольтамперную характеристику точечного контакта, изготовленного из массивного ниобия. Отсутствие воспроизводимости характеристик точечных контактов сильно затрудняло изучение и объяснение их свойств. Проблема создания качественных и воспроизводимых джозефсоновских переходов с использованием современных интегральных технологий становилась все более актуальной.

Таким образом, к началу работ по теме диссертации сложилась ситуация, когда была определена лишь часть условий необходимых для создания джозефсоновских переходов, позволяющих реализовать большинство практических применений. Фактически не были в полной мере определены требования к материалу слабой связи джозефсоновских переходов. Много неясностей было в отношении высокоомных материалов и, в особенности, прослоек из полупроводника. Отсутствовала технология создания высокостабильных и воспроизводимых джозефсоновских переходов с высокоомной прослойкой, что затрудняло подробное исследование их свойств и не давало возможности изучить механизм протекания тока в таких переходах. Данная диссертация посвящена разработке высококачественных джозефсоновских переходов с прослойкой из сильно легированного аморфного кремния и всестороннему изучению их электрофизических свойств.

Структура и содержание диссертации.

Диссертация состоит из пяти глав, двух приложений и списка литературы. Структура диссертации предусматривает краткие выводы в конце каждой из экспериментальных глав, а также заключение в конце диссертации.

Заключение.

1. Выработаны требования и сформулированы условия, обеспечивающие получение высококачественных, воспроизводимых джозефсоновских переходов с непосредственной проводимостью. Исходя из основного требования ры^и » Рб^б, предъявляемого к материалам ДП, в качестве высокоомного материала слабой связи выбран сильно легированный аморфный кремний. При рассмотрении джозефсоновских переходов с прослойкой из сильно легированного полупроводника установлено, что наряду с параметрами, характеризующими прослойку, длиной свободного пробега электронов (А) и длиной когерентности (^н) существенную роль может играть длина волны де Бройля (А,м). Построена трехмерная диаграмма с координатами толщины прослойки (с!), нормированной на эти три основных параметра, которая позволяет классифицировать все типы джозефсоновских переходов с непосредственной проводимостью и выделить область с наиболее высококачественными параметрами.

2. Разработана конструкция и лабораторная технология формирования воспроизводимых высококачественных торцевых джозефсоновских переходов с непосредственной (нетуннельной) проводимостью с прослойкой из сильно легированного аморфного кремния (М^/а^/ЫЬ11). Полученные основные электрические параметры ТДП - характерное напряжение Ус до 1 мВ, плотность критического тока ]с до 105 А/см2, нормальное сопротивление до 300 Ом. удовлетворяют требованиям, предъявляемым в большинстве практических применений.

3. Подробно исследованы основные технологические процессы формирования ТДП и выявлены причины воспроизводимости (невоспроизводимости) электрических параметров ТДП. Отработан процесс формирования угла наклона торца первого №>-электрода. Установлено, что главными причинами в однородности толщины а-81-прослойки являются особая подготовка поверхности торца первого №> электрода, связанная с эффектом ионной полировки при формировании торца, и однородное, равномерное по толщине нанесение на торец ос-Бь-прослойки. Экспериментально установлен технологический «грязный» предел для пленок №>, при котором из-за посторонних примесей пленки теряют сверхпроводящие свойства. Изучены режимы формирования пленок ЫЪИ в качестве электродов для ТДП. Показано, что воспроизводимость параметров пленок №> и зависит от параметров технологического процесса и их удаленности от параметров процесса для «грязного» предела.

4. Исследована структура ТДП М^/ос^/ЫЪ11, границы раздела и элементный состав переходных слоев аналитическими методами. Проведен комплексный профильный анализ элементного состава, кристаллической структуры и проводимости слоев джозефсоновской структуры NbVa-Si/Nbn с использованием методов резерфордовского обратного рассеяния (POP) и оже-электронной спектроскопии (ОЭС), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и послойного измерения проводимости при различных температурах. Установлено, что причина воспроизводимости электрических параметров ТДП связана с макроскопической однородностью по толщине и проводимости a-Si-прослойки, которая обеспечивается за счет заполнения пор в a-Si атомами Nb в процессе осаждения верхнего Nb-электрода. Показано, что образование переходных слоев в процессе взаимодиффузии Nb и Si является главной причиной непосредственной проводимости ТДП Nb/a-Si/Nb и определяет величины параметров порядка А1, Дп Nb-электродов на границе с a-Si-прослойкой. Проведены расчеты толщины переходных слоев в джозефсоновской структуре. Построена пространственная модель структуры и состава торцевых джозефсоновских переходов (ТДП) NbVa-Si/Nbn.

5. Разработаны методики исследований электрофизических свойств джозефсоновских переходов на постоянном токе и средства измерений характеристик экспериментальных образцов. Проведено подробное экспериментальное исследование вольтамперных характеристик и основных электрических параметров ТДП при различных температурах и в магнитном и СВЧ полях. Показано, что разработанные ТДП Nb/a-Si/Nb обладают ярко выраженным эффектом Джозефсона, а форма ВАХ ТДП имеет признаки, как туннельных, так и переходов с непосредственной проводимостью, и близка к форме ВАХ идеальных точечных контактов Вейца. Изучены зависимости параметров порядка А1, Дп электродов на границе с a-Si-прослойкой от температуры и проведено сравнение экспериментальных зависимостей с теорией, учитывающей эффект близости.

6. Исследованы зависимости параметров ТДП от толщины a-Si -прослойки. Обнаружено проявление квантового размерного эффекта в ТДП; функции Ic(d) и Rn(¿) являются периодическими с периодом осцилляций Ad = A.n/2. Установлено, что в силу различных импульсных пространств материалов прослойки и электродов при d < Л существенный вклад в нормальное сопротивление ТДП вносит сопротивление границ раздела прослойки и электродов. Исследован механизм протекания тока и построена физическая модель ТДП Nb/a-Si/Nb, в которой границы с a-Si - прослойкой являются плоскопараллельными и физически резкими. При этом внутри прослойки возникает специфическая интерференция волн де Бройля, для которых джозефсоновский переход играет роль резонатора типа Фабри -Перо. Таким образом, обнаружен новый механизм протекания тока через джозефсоновский переход. Разработанные ТДП Nb/a-Si/Nb являются «резонансными» джозефсоновскими переходами с непосредственной проводимостью.

7. Изготовлены и исследованы на постоянном токе простейшие многослойные СПИС на основе ТДП Nb/a-Si/Nb. Показано, что, варьируя толщиной a-Si - прослойки и шириной верхнего Nb - электрода, можно изменять параметры ТДП в широких пределах и получать требуемые характеристики. Проведен анализ характеристик ТДП как чувствительных элементов СВЧ приемных устройств. Исследованы характеристики простейших ПТ-сквидов на основе ТДП. Проведено исследование ТДП размещенных в щелевой и микрополосковой линиях. Изучено поведение цепочек ТДП в СВЧ поле. Проведен анализ характеристик простейших специализированных СПИС функционирующих на основе квантов магнитного потока. Экспериментально подтверждено, что основные параметры СПИС (ПТ-сквидов, СВЧ СПИС, простейших цифровых СПИС) удовлетворяют требованиям для практического применения. Проведенные исследования изготовленных СПИС показали, что при степени интеграции до 102 переходов на кристалл разброс основных параметров не превышал в среднем 5 - 15 %.

В заключение, мне хотелось бы выразить свою искреннюю благодарность М.Ю. Куприянову за плодотворное обсуждение теоретических вопросов, за неоценимую помощь и постоянное внимание к работе. Я глубоко признателен К.К. Лихареву, у которого многому смог научиться, за чрезвычайно полезные обсуждения экспериментальных результатов и поддержку в работе. Я благодарен В.И. Махову за помощь и содействие в технологическом обеспечении работы. Я хочу выразить свою признательность Э.А. Полторацкому за внимание и плодотворное обсуждение материалов диссертации. Я благодарен А.Н. Самусю и В.В. Савчуку за оказанную помощь в компьютерной обработке иллюстративного материала. Я благодарен всем специалистам дружественных организаций за активное и плодотворное сотрудничество при внедрении результатов работы. Я хочу также поблагодарить весь коллектив отдела и сотрудников института, помогавших мне при выполнении этой работы, за сочувствие и поддержку.

1.D. Possible new effects in superconductive tunneling. Phys. Rev. Lett., 1962. V, 1. № 7. P. 251-253.

2. Жарков Г.Ф. Туннельный эффект Джозефсона в сверхпроводниках. УФН. 1966. Т. 88. № з. С. 419-438.

3. Лангерберг Д.Н., Скалапино Д.Дж., Тейлор Б.Н. Джозефсоновские эффекты. УФН. 1967. Т. 91. № 2. С. 317-330.

4. Кларк Дж. Эффект Джозефсона. УФН. 1971. Т. 104. № 1. С. 95-129.

5. Deaver B.S., Jr., Vincent D.A. Experiments using weakly linked superconductors. In: Methodes of Experimental Physics. N.Y.; Ind.: Academic Press. 1974. V. 11. P. 199-305.

6. Кулик И.О., Янсон И.К. Эффект Джозефсона в сверхпроводящих туннельных структурах. М.: Наука. 1970. 276 с.

7. Солимар Л. Туннельный эффект в сверхпроводниках и его применения. М.: Мир. 1974. 430 с.

8. Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. Системы с джозефсоновскими контактами. Изд. Московского Университета. 1978. 446 с.

9. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона. М.: Мир. 1984. 640 с.

10. Лихарев К.К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. М.: Наука. 1985. 320 с.

11. Теория сверхпроводимости. Сб. статей. Перевод под редакцией Н.Н. Боголюбова. М. Ил. 1960. 416 с.

12. Де Женн П. Сверхпроводимость металлов и сплавов. М.: Мир. 1968.280 с.

13. Роуз-Инс А., Роденик Е. Введение в физику сверхпроводимости. М.: Мир. 1972. 228 с.

14. Тинкхам М. Введете в сверхпроводимость. М.: Атомиздат. 1980. 310 с.

15. Фейман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике. М.: Мир. 1978. Т.8,9. 524 с.

16. Лихарев К.К. Сверхпроводящие слабые связи: стационарные процессы. УФН. 1979. Т. 127. № 2. С. 185-220.

17. Weitz D.A., Skocpol W.J., Tinkham М. Characterization of niobium point contacts showing Josephson effects in the far infrared. J. Appl. Phys. 1978. V. 49. №9 P. 4873-4880.

18. Clarke J. The use of superconducting junctions in magnetometry. J. Rev. Phys. Appl. 1970. V. 5. № 1. P. 32-36.

19. Куликов B.A., Матвеец Л.В., Мигулин B.B. Исследование характеристик макета радиометра миллиметрового диапазона с джозефсоновским детектором. Препринт. ИЗМИР АН СССР. № 47. М. 1983. 25 с.20