Сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик и способ его изготовления

 

Использование: при разработке высокочувствительных сверхпроводящих датчиков магнитного потока и детекторов электромагнитного поля. Сущность изобретения: в сверхпроводящем квантовом интерференционном датчике, содержащем электроды и мостики из сверхпроводящего материала, электроды и мостики выполнены из монокристаллической эпитаксиальной сверхпроводящей пленки YВаСuО толщиной 10 - 25 нм. Электроды и мостики выполнены на изолирующей монокристаллической подложке из SrTiO₃, LaAlO₃, Al₂O₃. Для обеспечения лучшего контакта при включении датчика в схему и сохранения высокотемпературных сверхпроводящих свойств электроды выполнены на подслое из золота или платины. В способе изготовления сверхпроводящего интерференционного датчика, основанном на нанесении на изолирующую подложку сверхпроводящей пленки с последующим формированием из нее мостиков и электродов, на монокристаллическую подложку при температуре 820 - 840^oС наносят сверхтонкую пленку YBaСuО толщиной 10 - 25 нм, например, методом лазерной абляции. Техническим результатом изобретения является создание сверхпроводящего квантового интерференционного датчика, обеспечивающего понижение шумов, повышение устойчивости к термоциклированию, а также повышение вопроизводимости характеристик датчика в процессе его эксплуатации. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электронным устройствам, использующим эффект Джозефсона в слабых связях сверхпроводников YBa₂Cu₃O_7-x, и способам изготовления этих устройств. Изобретение может быть использовано при разработке высокочувствительных сверхпроводящих датчиков магнитного потока и детекторов электромагнитного поля, при изготовлении этих устройств из высоко температурных сверхпроводников с малой величиной длин когерентности.

Известны высокотемпературные сверхпроводящие электронные устройства, в которых имеются сверхпроводящие электроды и мостики для образования контура квантования.

Размеры мостиков выбираются исходя из необходимых значений критических токов слабых связей в предположении наличия в них Джозефсоновских свойств. Известны различные способы изготовления мостиков (слабых связей): на толстых керамических пленках толщиной d = 100 мкм, выращенных аэрозольным методом седиментации [1]; на поликристаллических пленках, выращенных CVD методом [2] , толщиной d = 2 мкм и с плотностью J_c = 10⁴ А/см². Необходимые значения критических токов слабых связей достигались также на ВТСП эпитаксиальных пленках, выращенных на бикристаллических подложках [3], на ступеньках [4] и т. д. Джозефсоновские переходы на монокристаллических пленках формировались также облучением области слабой связи высокоэнергетическими ионами Si⁺⁺ или Au⁺ с плотностью 10¹⁴-10¹⁸ ион/см². Малые токи в области слабых связей достигнуты также методом электронной микрофотографии, с помощью которого изготовлены мостики шириной 100-110 нм [5]. Но этот способ требует весьма дорогостоящего оборудования.

Известен также сверхпроводящий прибор с тонким слоем оксидного сверхпроводника и способ его изготовления [6], в котором на поверхности подложки сформированы два участка сверхпроводящей пленки, имеющей относительно большую толщину, которые соединяются третьим участком из оксидного сверхпроводника, имеющим чрезвычайно малую толщину. Поверх третьего участка нанесен барьерный слой из несверхпроводящего материала, служащий источником диффузии. Верхняя часть и обе боковые поверхности последнего слоя покрыты изоляционным слоем. Все три сверхпроводящих участка сформированы из одного и того же оксидного сверхпроводника. Изоляционный слой выполнен из того же сверхпроводника и подвергнут диффузии одного из материалов, содержащихся в слое и являющихся источником диффузии. В результате при переходе первого и второго сверхпроводящих участков в сверхпроводящее состояние изоляционный слой остается несверхпроводящим и поэтому ток между первым и вторым участками может течь только через третий сверхпроводящий участок.

Недостатком этого прибора и способа его изготовления является необходимость изготовления сверхпроводящих слоев различной толщины, что приводит к сложностям изготовления, использованию дополнительных материалов для слоя, являющегося источником диффузии и т. д.

Известен также тонкопленочный сверхпроводящий прибор и способ его изготовления [7] . Прибор содержит подложку с выступом на рабочей поверхности, покрытую тонкой пленкой оксидного проводника. Пленка закрывает выступ подложки и имеет плоскую верхнюю поверхность, причем над выступом находится тонкий участок пленки, а по бокам более толстые ее области. Ток протекает через участок пленки меньшей толщины.

Недостатком прибора и способа его изготовления является сложность изготовления подложки с выступом, нанесение сверхпроводящей пленки разной толщины, выравнивание до плоской верхней поверхности.

Известен СКВИД дифференциального типа [8], содержащий выполненные на одной и той же изоляционной подложке в форме цилиндра не менее двух тонких сверхпроводящих кольцеобразных пленок с узким зазором и два сверхпроводящих электрода, обеспечивающих дифференциальное взаимное соединение концевых участков указанных сверхпроводящих кольцеобразных пленок. Электроды скрещены друг с другом через изоляционный слой. На участке скрещивания электродов в результате обеспечения электропроводного состояния участка изоляционного слоя сформирован переход Джозефсона. Недостатком этого СКВИДа является сложность изготовления и слабая устойчивость слабой связи к термоциклированию, которая разрушается при термоударах.

Известен сверхпроводниковый элемент со слабой связью [9], выполненный на монокристаллической подложке из MgO с ориентацией 100. В качестве высокотемпературного сверхпроводника использована расположенная в области рядом с Джозефсоновским переходом тонкая пленка YBCuO, нанесенная на поверхность подложки. Два электрода соединены областью со слабой связью из пленки YBaCuO. Непосредственно над участком слабой связи на поверхности подложки создана пересекающая участок слабой связи открытая зона, открывающая несколько кристаллических поверхностей. Тонкая пленка везде, кроме как над открытой зоной, ориентирована вдоль оси с, а над открытой зоной имеет случайную ориентацию кристаллов. Таким образом удалось обеспечить заданный критический ток перехода I_c не слишком сужая ширину участка со слабой связью, что упрощает технологию изготовления сверхпроводникового элемента. Однако упрощая допуски при оптической литографии, получаем весьма сложный процесс подготовки подложки с пересекающимися участками разной кристаллической ориентации.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является сверхпроводящее электронное устройство и способ его изготовления [10].

Известное устройство содержит сверхпроводящие электроды из монокристаллического материала и мостики из сверхпроводящего поликристаллического материала. Длина, ширина и толщина мостика выбраны таким образом, чтобы быть больше размера зерна в поликристаллическом материале, но не превышая перколяционной длины в системе из межзеренных переходов в поликристаллическом сверхпроводящем материале.

Известное устройство изготавливают путем нанесения на изолирующую подложку пленки из сверхпроводящего материала и последующего формирования из нее мостиков и электродов. Подложку выполняют из монокристаллического материала. В местах будущего расположения мостиков на нее наносят поликристаллический изолирующий слой, после чего на всю подложку наносят сверхпроводящую тонкую пленку при условиях обеспечивающих эпитаксиальный рост сверхпроводящей пленки на монокристаллической подложке.

В конкретном примере выполнения описан СКВИД-сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик, содержащий два мостика, выполненные из поликристаллического материала YBa₂Cu₃O_7-x, и электроды, соединяющие мостики таким образом, что электроды образуют контур с включенными в него мостиками. Электроды выполнены из монокристаллической пленки YBa₂Cu₃O_7-x, нанесенной непосредственно на монокристаллическую изолирующую подложку из MgO. Мостики имеют ширину и длину 15 мкм, толщину 1 мкм и расположены на изолирующих слоях.

В конкретном случае способ изготовления СКВИДа осуществляется следующим образом. Сначала на всю подложку из монокристаллического MgO напыляют поликристаллическую пленку MgO и в местах будущего расположения мостиков из поликристаллической пленки MgO с помощью фотолитографии формируют изолирующие слои с размерами не превышающими перколяционную длину в поликристаллической пленке из YBa₂Cu₃O_7-x, образующейся на подложке из поликристаллического MgO. Далее на подложку напыляют пленку YBa₂Cu₃O_7-x при условиях, обеспечивающих эпитаксиальный рост пленки на монокристаллическом MgO и формируют мостики и электроды. При этом на поликристаллическом MgO образуются мостики из поликристаллического YBa₂Cu₃O_7-x. Получаемые мостики имеют размеры 15х15 мкм при толщине 1 мкм, что больше размеров зерна (а=0.5 мкм) в поликристаллической пленке, но меньше перколяционной длины (L=100 мкм) в этой пленке.

Недостатками известного устройства и способа его изготовления является достаточно высокий уровень шумов, составляющий 10^-3-10^-4 Ф₀/Гц^1/2, обусловленный большой массой материала сверхпроводника, образующего джозефсоновские мостики, а также наличие несверхпроводящих границ между зернами поликристаллической пленки и деградация СП-свойств при термоциклировании пленок по этим же межзеренным границам, невоспроизводимость электрофизических характеристик в процессе работы, как следствие разрушения ВТСП-пленок. Кроме того, недостатком способа является также дополнительная технология по нанесению поликристаллического изолирующего подслоя.

Задачей нашего изобретения является создание СКВИДа и способа его изготовления, обеспечивающего понижение шумов, повышение устойчивости к термоциклированию а также повышение воспроизводимости характеристик в процессе эксплуатации. Указанный результат достигается тем, что в сверхпроводящем квантовом интерференционном датчике, содержащем электроды и мостики из сверхпроводящего материала, электроды и мостики выполнены из монокристаллической эпитаксиальной сверхпроводящей пленки YBaCuO толщиной 10-25 нм. Электроды и мостики выполнены на изолирующей монокристаллической подложке из SrTiO₃, LaAlO₃ или Al₂O₃. С целью обеспечения лучшего контакта при включении датчика в схему и сохранения высокотемпературных сверхпроводящих свойств электроды выполнены на подслое из золота или платины.

Указанный технический результат достигается также тем, что в способе изготовления сверхпроводящего интерференционного датчика, основанном на нанесении на изолирующую подложку сверхпроводящей пленки с последующим формированием из нее мостиков и электродов на монокристаллическую подложку при температуре T = 820-840^oC наносят сверхтонкую пленку YBaCuO толщиной 10-25 нм, например методом лазерной абляции при следующих параметрах напыления: плотность мощности W≈10⁹ Вт/см², длины волны излучения λ = 1,06 мкм, частота следования импульсов ν = 14 Гц, длительность импульса τ = 20 нс, давлении P=0.1 тopp.

Пленки, полученные указанным методом, имеют зеркальную поверхность без капель.

Затем методом фотолитографии и сухого травления формируют мостики и электроды, образующие контур квантования для измерения магнитного потока в СКВИДе. Разработанный ранее авторами метод сухого травления обеспечил возможность получения методом фотолитографии слабых джозефсоновских связей (мостиков) шириной порядка 1-2 мкм [11].

Для лучшего обеспечения контакта при включении датчика в измерительную схему и устранения деградации сверхпроводящих свойств на монокристаллическую подложку перед напылением сверхтонкой сверхпроводящей пленки в местах будущего расположения электродов наносят подслой золота или платины, например с помощью термоиспарителя, при температуре подложки соответственно 900-1000^oC и 1700-1800^oC.

Для получения пленок с совершенными параметрами авторами проведены исследования зависимости плотности критического тока от температуры подложки при напылении (фиг.1) и зависимости плотности критического тока от толщины пленки (фиг.2).

Как показано на фиг.1 температура начала эпитаксиального роста ВТСП-пленок составляет 820-840^oC и имеет резкий скачок плотности тока J_c (на три порядка) при значениях температуры подложки от 780 до 820^oC, то есть происходит изменение характера роста пленок с поликристаллического на монокристаллический эпитаксиальный. В связи с этим в способе изготовления СКВИДа использовано найденное значение температуры подложки для монокристаллического эпитаксиального роста пленки (820-840^oC).

При изучении зависимости плотности критического тока J_c эпитаксиальных тонких и сверхтонких пленок от толщины (фиг.2) авторами установлено, что сверхтонкая пленка толщиной 10-25 нм имеет значение J_c на два порядка отличающееся от J_c тонких пленок (≈100 нм). Это позволяет выбирать требуемое значение критического тока I_c джозефсоновского перехода. Эпитаксиальную сверхтонкую пленку толщиной до ≈25 нм выращивают на монокристаллической изолирующей подложке методом лазерной абляции при условиях, обеспечивающих рост высококачественной монокристаллической YBaCuO пленки. До толщины ≈10 нм сверхпроводящая пленка имеет низкие значения плотности критического тока J_c≈10³ А/см². При дальнейшем увеличении толщины начинает расти монокристаллическая пленка с высоким значением плотности критического тока J_c≈10⁶ А/см².

Толщина высококачественного слоя составляет 5-15 нм. Тогда при ширине мостика ω = 1 - 2 мкм критический ток I_c составляет ≈0-800 мкА. Таким образом, путем варьирования толщины высококачественного слоя можно подбирать нужные значения I_c. Микромостики и электроды, образующие контур квантования, изготавливались методом оптической фотолитографии. При этом травление пленок осуществлялось методом сухого травления, позволяющем получать более качественно чем при жидкостном травлении (без бокового подтравливания) слабые джозефсоновские связи шириной ω = 1-2 мкм.

По мнению авторов наиболее вероятно, что джозефсоновская связь осуществляется на структурных и кристаллических неоднородностях ВТСП-пленки.

Заявляемый СКВИД изображен на фиг. 3 СКВИД содержит мостики 1, 2 и электроды 3, 4, выполненные из монокристаллической эпитаксиальной пленки YBaCuO 6 толщиной 10-25 нм, нанесенной на монокристаллическую подложку 9 из SrTiO₃ (100), LaAlO₃ (100) или Al₂O₃ (100).

Для обеспечения надежного электрического контакта при включении датчика в схему в местах расположения электродов на подложку нанесены площадки 8 из золота или платины. Мостики 1, 2 и электроды 3, 4 образуют контур квантования 5, предназначенный для измерения магнитного потока в СКВИДе. Работа СКВИДа основана на зависимости его критического тока I_c от величины внешнего магнитного потока Ф, наведенного в контуре 5. Наибольшая чувствительность СКВИДа к магнитному потоку в заявляемом устройстве достигается тем, что мостики из сверхтонкой монокристаллической пленки обладают присущим монокристаллам внутриструктурными неоднородностями, проявляющими свойства слабых связей.

Способ изготовления СКВИДа заключается в следующем. На монокристаллическую подложку из SrTiO₃ (100), LaAlO₃ (100) или Al₂O₃ (100) наносят сверхтонкую пленку YBaCuO толщиной 10-25 нм, например методом лазерной абляции.

Значения параметров напыления следующие: плотность мощности лазерного излучения W≈10⁹ Вт/см², длина волны излучения λ = 1.06 мкм, частота следования импульсов ν = 14 Гц, длительность импульса τ = 20 нс, температура подложки 820-840^oC, давление воздуха 0.1 торр.

Затем методом фотолитографии и сухого травления по патенту РФ N 1823732 формируют мостики 3,4 шириной 1 мкм и длиной 35 мкм, а также электроды 1, 2, имеющие контакты для задания тока смещения и для измерения напряжения на СКВИДе. Мостики 3, 4 и электроды 1, 2 образуют контур квантования, предназначенный для измерения магнитного потока в СКВИДе.

Для лучшего обеспечения контакта при включении датчика в измерительную схему и устранения деградации сверхпроводящих свойств при термоциклировании на монокристаллическую подложку перед напылением сверхпроводящей пленки в местах будущего расположения электродов методом термического испарения наносится золотая пленка или пленка из платины. Проведенные нами исследования показали, что сверхпроводящая пленка на золоте или платине выдерживает достаточно большое количество термоциклов (свыше 500) без изменения сверхпроводящих параметров.

Источники информации 1. СФХТ, 1989, т.2., N 5.

2. Japanese Jumal of Appled Physics, vol 2, no 1, january, 1990, pp 74-78.

3. LEE Transaction on Applied Superon, vol 3, no 1, march, 1993.

4. Appl. Phys. Lett. 65(14)3, oktober, 1994.

5. Appl. Phys. Lett. 65(19) 7, november, 1997.

6. Заявка ЕПВ N 0475338, МПК H 01 L 39/22, 38/24.

7. Заявка ЕПВ N 0477063, МПК H 01 L 39/22, 39/24.

8. Заявка Японии N 4-58716, МПК H 01 L 39/22.

9. Заявка Японии N 3-108782, МПК H 01 L 39/22.

10. А.с. СССР N 1785056, МПК H 01 L 39/22, 39/24.

11. Патент РФ N 1823732, МПК H 01 L 39/24.

Формула изобретения

1. Сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик, содержащий электроды и мостики из сверхпроводящего материала, отличающийся тем, что электроды и мостики выполнены из эпитаксиальной монокристаллической сверхтонкой пленки толщиной 10 - 25 нм.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены на подслое из золота или платины.

3. Датчик по пп.1 и 2, отличающийся тем, что электроды и мостики выполнены на изолирующей монокристаллической подложке из SrTiO₃, LaAlO₃ или Al₂O₃.

4. Способ изготовления сверхпроводящего квантового интерференционного датчика, основанный на нанесении на изолирующую подложку сверхпроводящей пленки с последующим формированием мостиков и электродов, отличающийся тем, что на монокристаллическую подложку при температуре 820 - 840^oС наносят слой монокристаллической эпитаксиальной пленки YВаCuO толщиной 10 - 25 нм с плотностью критического тока J_c ~ 10⁶ А/см².

5. Способ изготовления сверхпроводящего квантового интерференционного датчика по п. 4, отличающийся тем, что напыление сверхпроводящей пленки осуществляют методом лазерной абляции при плотности мощности лазерного излучения W ~ 10⁹ Вт/см², длине волны излучения λ ~ 1,06 мкм, частоте следования импульсов ν ~ 14 Гц, длительности импульса τ ~ 20 нс, и давлении 0,1 торр.

6. Способ изготовления СКВИДа по п.4, отличающийся тем, что в местах расположения электродов перед нанесением пленки на подложку напыляют площадки из золота методом термического испарения при температуре подложки 900 - 1000^oС.

7. Способ изготовления СКВИДа по п.4, отличающийся тем, что перед нанесением ВТСП-пленки в местах расположения электродов напыляются площадки из платины методом термического испарения при температуре 1700 - 1800^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3