Способ изготовления высокотемпературного сверхпроводящего перехода джозефсона

 

Изобретение относится к криогенной микроэлектронике и может быть использовано для изготовления электронных приборов и устройств, работающих в сверхвысокочастотном диапазоне частот, с уровнем собственных шумов, приближающимся к квантовому порогу, работа которых основана на явлении высокотемпературной сверхпроводимости и эффекте Джозефсона, с рабочей температурой вблизи температуры кипения жидкого азота и характеристиками, неуступающими характеристикам аналогов, работающих при температуре 4,2 К. Сущность: бикристалл выращивают из расплава лейкосапфира на двойную затравку, которую изготавливают из двух монокристаллических пластин треугольной формы, вырезанных из монокристаллического слитка лейкосапфира, после чего на боковых поверхностях каждой из пластин выполняют срез, плоскость которого шлифуют, химико-механически полируют и соединяют пластины между собой плоскостями среза в держателе, затем двойную затравку помещают в вакуум или атмосферу инертного газа при температуре плавления лейкосапфира, вводят двойную затравку в соприкосновение с расплавом лейкосапфира и производят наращивание бикристалла на двойную затравку, из которого после его охлаждения вырезают бикристаллическую подложку, причем после химико-механического полирования на поверхность подложки наносят буферный слой, на который затем напыляют эпитаксиальную высокотемпературную сверхпроводящую пленку. 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к криогенной микроэлектронике и может быть использовано для изготовления электронных приборов и устройств, работающих в сверхвысокочастотном диапазоне частот, с уровнем собственных шумов, приближающимся к квантовому порогу, работа которых основана на явлении высокотемпературной сверхпроводимотси и эффекта Джозефсона, с рабочей температурой вблизи температуры кипения жидкого азота и характеристиками, не уступающими характеристикам аналогов, работающих при температуре 4,2 K.

Известен способ изготовления высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) перехода Джозефсона [1], который заключается в получении слабосвязанных переходов Джозефсона на границах зерен в ВТСП-пленках. Эти переходы надежно и воспроизводимо формируются на однородных пленарных подложках с помощью подслоя, расположенного между подложкой и сверхпроводящей пленкой. Пленка сверхпроводника выращивается поверх подслоя и разориентирована относительно остальной пленки на угол между 5 и 90^o. Образованная таким образом граница действует как высококачественный сверхпроводящий переход. Характеристики этих переходов улучшают за счет добавления буферных слоев между подложкой и сверхпроводящей пленкой. Плоскую кристаллическую подложку изготавливают из таких материалов, как титанат стронция SrTiO₃, лейкосапфир Al₂O₃, двуокись циркония, стабилизированного иттрием, ZrO₂(Y₂O₃) и др., и на нее наносят буферный слой - тонкую эпитаксиальную пленку MgO толщиной 200... 1000 Затем на всю поверхность наносят эпитаксиальную ВТСП-пленку YBCO-123 толщиной 1000. . . 2000 , поверхность которой ориентирована по плоскости (001). Буферный слой MgO разворачивает кристаллическую решетку эпитаксиальной пленки YBCO-123 на 45^o и формирует бикристаллическую границу между двумя половинами эпитаксиальной пленки. Это, так называемая, биэпитаксиальная технология изготовления джозефсоновских переходов.

Недостатком этого способа является значительная дефектность структуры бикристаллической границы пленки в области сформированного ВТСП-перехода Джозефсона, и, как следствие, такой переход обладает малым значением характеристического напряжения - U, низкой степенью воспроизводимости, а также большим уровнем избыточных шумов типа i/f, обусловленных флуктуациями критического тока в области перехода, что не позволяет использовать этот способ для изготовления приборов, работающих в сверхвысокочастотном диапазоне.

Известен способ изготовления тонкопленочного ВТСП СКВИД-магнитометра на бикристаллической подложке SrTiO₃ [2], который является наиболее близким к заявляемому способу изготовления ВТСП-перехода Джозефсона по своему техническому решению. Известный способ заключается в том, что в начале из монокристаллических блоков титаната стронция SrTiO₃ изготавливают бикристалл. С этой целью монокристаллический слиток титаната стронция разрезают попала по кристаллографическим плоскостям (100). Затем задают угол среза, равный 18,43^o, выходя на атомные плоскости (130) и . Поверхности блоков механически шлифуют и полируют. После этого блоки приводят в контакт и по методу твердофазного сращивания в режиме самодиффузии атомов сваривают, обеспечивая таким образом механическую прочность бикристалла, и изготавливают единый бикристалл. Из полученного таким образом бикристалла, кристаллографические оси [100] и [010] разных половин которого развернуты вокруг оси [001] на угол наклона 36,86^o относительно друг друга, вырезают бикристаллические подложки толщиной 0,5...0,8 мм с ориентацией поверхности (001). Поверхность подложек шлифуется, полируется. Для эпитаксиального роста ВТСП-пленки YBCO-123 осуществляют финишную химико-механическую полировку. Затем выращивают ВТСП-пленку толщиной 100...200 нм, наносят контактные площадки, применяют фотолитографию с последующим химическим травлением пленки для создания геометрии СКВИДа. Лазерной резкой на подложке с пленкой формируют отдельные дискретные приборы.

Этим способом формируют бикристаллическую границу с различными углами наклона. Наращиваемая на поверхность подложки эпитаксиальная пленка YBCO-123 наследует структуру бикристаллической границы подложки и формирует в пленке свою бикристаллическую границу, которая и является областью слабой связи между двумя сверхпроводниками. В таких ВТСП-пленках фотолитографией можно изготовить различные электронные схемы как с пассивными, так и с активными элементами. Активными элементами являются джозефсоновские переходы, обеспечивающие требуемые вольт-амперные характеристики, бикристаллическая технология изготовления джозефсоновских переходов более эффективна, чем биэпитаксиальная технология, но для этого требуется качественная бикристаллическая подложка с совершенной структурой границы.

Недостатками этого способа изготовления ВТСП-перехода Джозефсона является то, что граница бикристалла, полученная методом твердофазного сращивания, по своей структуре сильно нарушена. Ее дефектность определяется в основном рельефом сращиваемых поверхностей. При соприкосновении поверхностей на всей площади границы образуется большое количество микропустот, которые в свою очередь являются стоком точечных дефектов. Микропустоты нарушают связь двух кристаллических решеток и поэтому в этих местах пропадает туннельный эффект Джозефсона. Другим типом дефектов бикристаллической границы, полученной твердофазным сращиванием, являются нарушения стехиометрии состава, образующегося вследствие диффузии атомов в области границы. Нарушения стехиометрии ослаблено в кристаллах с плотной упаковкой атомов в решетке, например в кубических кристаллах SrTiO₃, MgO, ZrO₂(Y₂O₃) и т.д. Поэтому такие бикристаллы изготавливаются в настоящее время и используются в изготовлении ВТСП джозефсоновских переходов. Однако их общим недостатком являются большие диэлектрические потери генерируемого переходом излучения, что резко ограничивает их использование в СВЧ-диапазоне частот (100...1000 ГГц).

В таблице приведены частотные характеристики (диэлектрические потери и тангенциальные потери tg) некоторых материалов.

Из таблицы видно, что наиболее перспективным материалом для СВЧ-электроники являются бикристаллы лейкосапфира. Изготовление же известным способом ВТСП-перехода Джозефсона из материала, перспективного в СВЧ-электронике, - лейкосапфира невозможно. То есть невозможно изготовить подложку из бикристаллов, состоящих из легких атомов, пространственная решетка которых содержит свободные узлы, обеспечивая их перемещение по решетке кристалла, так как при твердофазном сращивании происходит насыщение бикристальной границы легкими атомами, например для случая Al₂О₃ - атомами алюминия.

В процессе эпитаксиального наращивания ВТСП-пленки они диффундируют в пленку и шунтируют границу перехода. На такой бикристаллической границе невозможно изготовить рабочий джозефсоновский переход.

Кроме того, ВТСП-переход Джозефсона, изготовленный на подложке, выполненной методом твердофазного сращивания, обладает невысокой воспроизводимостью параметров, высоким значение частоты среза f_с шумов типа i/f, невысоким характеристическим напряжением U_c = I_c · R_н, где I_с - критический ток, R_н - нормальное сопротивление, что приводит к тому, что СКВИДы постоянного тока и СКВИД-магнитометры, изготовленные на этом ВТСП-переходе Джозефсона, обладают сравнительно высоким уровнем эквивалентных шумов по магнитному потоку и низким разрешением по магнитному полю.

Отмеченные недостатки: уровень шумов i/t и величина характеристического напряжения в сильной степени определяются качеством технологии сшивки бикристаллической границы.

В известном решении методом твердофазного сращивания формируется бикристаллическая граница, разделяющая два монокристалических блока с различной ориентацией кристаллографических осей, которая при эпитаксиальном наращивании ВТСП-пленки формирует в ней такую же бикристаллическую границу. При этом качество бикристаллической границы пленки (структурное совершенство, плоскость и т.д.) полностью определяется качеством границы бикристаллической подложки.

Общими существенными признаками заявляемого технического решения и известного являются следующие: формируют бикристалл, из которого вырезают бикристаллическую подложку, шлифование, химико-механическое полирование поверхности подложки, напыление на подложку эпитаксиальной высокотемпературной сверхпроводящей пленки, контактных площадок, затем осуществляют фотолитографию высокотемпературной сверхпроводящей пленки и ее травление.

Отличительными существенными признаками заявляемого технического решения являются следующие: бикристалл выращивают из расплава лейкосапфира на двойную затравку, которую изготавливают из двух монокристаллических пластин треугольной формы, вырезанных из монокристаллического слитка лейкосапфира таким образом, что одна из поверхностей каждой из пластин совпадает с -плоскостью, а другая - с -плоскостью, после чего на боковых поверхностях каждой из пластин выполняют срез, плоскость которого перпендикулярна -плоскости, а угол α между плоскостью среза и боковой поверхностью пластин составляет 18,4 или 14, или 11,3^o, после чего плоскость среза каждой из пластин шлифуют, химико-механически полируют и соединяют пластины между собой плоскостями среза в держателе так, что -плоскости пластин параллельны, а угол между -плоскостями составляет 2α , затем двойную затравку помещают в вакуум или атмосферу инертного газа при температуре плавления лейкосапфира, вводят двойную затравку в соприкосновение с расплавом лейкосапфира так, что направления фронтов кристаллизации совпадают с -направлениями кристаллических решеток пластин, производят последовательное наращивание бикристалла на двойную затравку, из которого после его охлаждения вырезают бикристаллическую подложку, ориентированную по -плоскости, причем после химико-механического полирования на поверхность подложки наносят буферный слой, на который затем напыляют эпитаксиальную высокотемпературную сверхпроводящую пленку.

Технический результат, который достигается при реализации этого способа, заключается в том, что ВТСП-переход Джозефсона, бикристаллическая подложка которого изготовлена из лейкосапфира, имеет малые диэлектрические потери в СВЧ-диапазоне, что дает возможность эффективно использовать его для изготовления приборов, работающих в СВЧ-диапазоне частот. При этом формируемый ВТСП-переход обладает высокими параметрами, хорошей степенью их воспроизводимости, низким значением частоты среза шумов типа i/t, достаточно высоким значением характеристического напряжения U_c = I_c · R_н, где I_c - критический ток, R_н - нормальное сопротивление: при T = 77 K и угле разориентации бикристалла 24^o оно достигает значений 0,2 мВ, а значение t_c близко к 10 Гц. Электронные свойства перехода Джозефсона полностью определяются процессом рассеяния электронов на границе раздела. Поэтому наличие структурных дефектов границы, таких как пустоты, скопление примесных атомов, дислокации и т. д. , вызывают сильное рассеяние электронов, уменьшая количество электронов, переходящих через энергетический барьер на границе. Неплоскостность (шероховатость) границы также вызывает дополнительное диффузионное рассеяние электронов. Качество границы ВТСП-пленки, ее структурное совершенство однозначно определяются границей подложки, структурные дефекты которой наследуются пленкой в процессе ее эпитаксиального наращивания.

Бикристаллическая граница, получаемая при росте кристалла из расплава, является естественной и потому наиболее совершенной. Поэтому и граница пленки, выращенной на такой бикристаллической подложке, также является наиболее совершенной и содержит минимальное количество структурных дефектов. Дислокации же, если они и образуются, в такой искусственной границе не играют заметной роли в формировании энергетического барьера для туннелирования электронов. Выращивание бикристаллов из лейкосапфира является в настоящее время единственно возможным путем изготовления бикристаллических подложек для ВТСП-переходов Джозефсона, работающих в СВЧ-диапазоне частот. ВТСП-переходы Джозефсона, сформированные на бикристаллических подложках лейкосапфира, также позволяют создавать различные электронные устройства, как, например, сквиды постоянного тока, сквид-магитометры, имеющие сравнительно низкий уровень эквивалентных шумов по магнитному потоку и рекордно высокое разрешение по магнитному полю при T = 77 K.

На фиг. 1 схематически изображены монокристаллические пластины треугольной формы двойной затравки, где 1 - атомные -плоскости, 2 - плоскости среза; на фиг. 2 изображен чертеж, поясняющий сущность способа выращивания бикристалла лейкосапфира из расплава, где 1 - двойная затравка, 2 - бикристаллическая граница, 3 - расплав, 4 - молибденовый контейнер (а, б).

Заявляемый способ изготовления ВТСП-перехода заключается в следующем.

Изготавливают двойную затравку 1 (фиг. 2) из кристалла лейкосапфира (Al₂O₃) для ростовой установки "Сапфир-2" (разработанную и изготовленную в Институте кристаллографии РАН). Установка "Сапфир-2" работает по горизонтальному методу Бриджмена с вольфрамовым нагревателем. Контейнер 4 (фиг. 2) для выращивания бикристалла лейкосапфира изготавливают из листового молибдена в виде "лодочки". В контейнер 4 засыпают сырье (бой кристаллов лейкосапфира, выращенного из порошка на ростовой установке Вернейля), вставляют контейнер в установку на специальную платформу, снабженную механизмом горизонтального перемещения. Двойная затравка 1 (фиг. 2) изготавливается определенной геометрии с заданной кристаллографией. Для эпитаксиального выращивания ВТСП-пленок со структурой перовскита используют подложки лейкосапфира с ориентацией поверхностей . Двойную затравку (1, фиг. 2) изготавливают из монокристаллического слитка лейкосапфира, из которого вырезают две монокристаллические пластины треугольной формы (фиг. 1), вырезанные из слитка лейкосапфира таким образом, что одна из поверхностей каждой из пластин совпадает с -плоскостью, а другая поверхность совпадает с -плоскостью (1, фиг. 1), после чего на боковых поверхностях каждой из пластин выполняют срезы (2, фиг. 1), плоскости которых перпендикулярны -плоскости, а угол α между плоскостью среза и боковой поверхностью пластины составляет 18,4^o, после чего плоскость среза каждой из пластин шлифуют, полируют и соединяют пластины между собой плоскостями среза в держателе, в котором с помощью поступательного перемещения и осуществляют взаимную ориентацию пластин так, что -плоскости пластин параллельны, а угол 2α между -плоскостями составляет величину 36,8^o. Точность установки углов поворота и вращения не превышает 0,01^o. После этого двойную затравку вставляют в молибденовый контейнер (4, фиг. 2) с исходным сырьем лейкосапфира, контейнер с двойной затравкой (1, фиг. 2) помещают в камеру с атмосферой инертного газа или в вакуумную камеру ростовой установки, затем температуру в нагревателе поднимают до температуры плавления лейкосапфира t = 2054^oC, вводят двойную затравку в соприкосновение с расплавом лейкосапфира (3, фиг. 2) так, что направления фронтов кристаллизаций совпадают с -направлениями кристаллических решеток пластин двойной затравки (1, фиг. 2), и производят последовательное наращивание кристалла на двойную затравку со скоростью кристаллизации 10. . . 12 мм/ч, из которого после его охлаждения вырезают бикристаллические подложки толщиной 0,8 мм, ориентированные по -плоскостям, причем после химико-механического полирования на подложки наносят буферный слой CeO₂, после чего напыляют эпитаксиальную высокотемпературную сверхпроводящую пленку YBCO-123 толщиной 100...200 нм.

Тонкая YBCO ВТСП-пленка изготавливается методом двухлучевого лазерного распыления. В методе двухлучевого лазерного распыления применяют синхронизованные излучения двух АИГ: Nd-лазеров, лучи которых, пройдя через линзы, фокусируются (плотность энергии в фокусе порядка 10 Дж/см) на поверхности вращающихся сверхпроводящих мишеней одинакового состава (YBCO-123), приготовленных по стандартной технологии из смеси порошков оксидов элементов, образующих ВТСП-керамику. Под действием излучения материал каждой из мишеней распыляется, и благодаря определенной геометрии установки, мощности излучения и взаимной ориентации лазерных лучей производится напыление тонкой YBCO ВТСП-пленки на поверхность бикристаллической подложки с последующим эпитаксиальным ростом.

Затем на YBCO-пленку через специальную накладную маску, которая плотно прижимается к поверхности, напыляют золотые контактные площадки, которые затем отжигаются в той же камере, где происходит напыление ВТСП-пленки. Предварительно поверхность ВТСП-пленки очищается в ВЧ-разряде ионами аргона (установка Leybold L-560, мощность 150 Вт, давление 3 · 10 мБар, время чистки 1-2 мин). Сопротивление полученных контактов в среднем составляло 0,2 Ом при T = 77 K.

Технический результат, который достигается при реализации этого способа, заключается в том, что ВТСП-переход Джозефсона, бикристаллическая подложка которого изготовлена из лейкосапфира, имеет малые диэлектрические потери в СВЧ-диапазоне, что дает возможность эффективно использовать его для изготовления приборов, работающих в СВЧ-диапазоне частот.

Актуальность решаемой задачи и высокие технические характеристики ВТСП-перехода Джозефсона обеспечивают промышленную применимость данного изобретения.

Формула изобретения

Способ изготовления высокотемпературного сверхпроводящего перехода Джозефсона, заключающийся в том, что формируют бикристалл, из которого вырезают бикристаллическую подложку, после чего осуществляют шлифование, химико-механическое полирование поверхности подложки, напыление на подложку эпитаксиальной высокотемпературной сверхпроводящей пленки, контактных площадок, затем осуществляют фотолитографию высокотемпературной сверхпроводящей пленки и ее травление, отличающийся тем, что бикристалл выращивают из расплава лейкосапфира на двойную затравку, которую изготавливают из двух монокристаллических пластин треугольной формы, вырезанных из монокристаллического слитка лейкосапфира таким образом, что одна из поверхностей каждой из пластин совпадает с - плоскостью, а другая - с - плоскостью, после чего на боковых поверхностях каждой из пластин выполняют срез, плоскость которого перпендикулярна - плоскости, а угол α между плоскостью среза и боковой поверхностью пластины составляет 18,4 или 14, или 11,3^o, после чего плоскости среза химико-механически полируют, соединяют в держателе так, что - плоскости параллельны, а угол между - плоскостями составляет 2α, затем двойную затравку помещают в вакуум или атмосферу инертного газа при температуре плавления лейкосапфира, вводят двойную затравку в соприкосновение с расплавом лейкосапфира так, что направления фронтов кристаллизаций совпадают с - направлениями кристаллических решеток пластин, производят последовательное наращивание бикристалла на двойную затравку, из которого после его охлаждения вырезают бикристаллическую подложку, ориентированную на - плоскости, причем после химико-механического полирования на поверхность подложки наносят буферный слой, на который затем напыляют эпитаксиальную высокотемпературную сверхпроводящую пленку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3