Способ изготовления сверхпроводникового прибора

Изобретение относится к сверхпроводниковым приборам, использующим высокочувствительные структуры на базе пленочных высокотемпературных сверхпроводников. Сущность изобретения: в способе изготовления сверхпроводникового прибора на основе поликристаллических пленок высокотемпературного сверхпроводника, в котором границы между зернами проявляют свойства джозефсоновского перехода, материалом сверхпроводниковой пленки является (Bi,Pb)₂Sr₂Са₂Cu₃О₁₀, на которой методом фотолитографии создают узкую область шириной менее среднего размера монокристаллического зерна высокотемпературного сверхпроводника и длиной, превышающей средний размер зерна в несколько раз, после чего всю поверхность запыляют маскирующим слоем и методом фотолитографии формируют поперечную маскирующую полоску, проходящую поперек через полученную ранее узкую область сверхпроводника и ширина которой равна среднему размеру зерна, а открытую область запыляют металлом для создания контактов к сверхпроводнику по обе стороны маскирующей полоски и шунтирования межзеренных границ вне этой области. Способ позволяет воспроизводимо получать высокочувствительные сверхпроводниковые приборы, обладающие высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние и имеющие надежные эксплуатационные параметры. 2 ил.

 

Изобретение относится к сверхпроводниковым приборам, использующим высокочувствительные структуры на базе пленочных высокотемпературных сверхпроводников. Предложен способ изготовления сверхпроводникового прибора в поликристаллической пленке высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) системы Bi-Sr-Ca-Cu-O и имеющего характеристики джозефсоновского перехода.

Известен способ изготовления сверхпроводникового устройства [1], в котором формируются джозефсоновские переходы. Выпуклая область (обработанная полоска платиновой тонкой пленки) ориентированного металла создается на подложке в качестве электрода затвора при помощи зондовых технологий. Затем осаждается изолирующая пленка SrTiO₃ на выпуклую область металлической пленки, после чего поверх изолирующей пленки осаждается сверхпроводниковая тонкая пленка YBa₂Cu₃O₇ или Bi₂Sr₂CaCu₂O_x. Условия осаждения на выпуклой области стимулируют образование границ зерен. С каждой стороны получившейся границы зерен формируются электроды стока и истока. Используемые в способе [1] пленки обладают поликристаллической структурой - набор монокристаллических зерен, которые связаны между собой джозефсоновскими контактами. Недостатком способа [1] является то, что в объеме сверхпроводниковой пленки присутствует большое количество джозефсоновских связей и на их фоне эффект от созданного по способу [1] джозефсоновского контакта размыт. Кроме того, используемые материалы YBa₂Cu₃O₇ и Bi₂Sr₂CaCu₂O_x обладают меньшими критическими температурами перехода в сверхпроводящее состояние, чем в предлагаемом способе, что при охлаждении жидким азотом с температурой кипения 77,4 К создает меньшее переохлаждение структуры в рабочих условиях. Соответственно, чем больше разница между критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние и рабочей температурой, тем более отчетливо проявляются квантовые эффекты и лучше электрические характеристики прибора. Кроме того, YBa₂Cu₃O₇ ненадежен, подвержен быстрой деградации.

Известен способ формирования джозефсоновского перехода на границах зерен в высокотемпературных сверхпроводниковых пленках [2]. Для этого используется однородная подложка, которая не была надрезана или разграничена, морфология поверхности или кристаллическая структура не вызывает образования границ зерен в материале, который на нее осаждается. В большинстве случаев подложка монокристаллическая, но может быть поликристаллической или даже аморфной. На поверхности монокристаллической подложки в заранее выбранной области формируется затравочный слой, разориентированный относительно подложки в диапазоне 5...90° градусов, поверх осаждается сверхпроводниковая пленка. Затравочный слой формируется из материала, параметры решетки которого хорошо согласуется с параметрами решетки сверхпроводникового материала. В работе [2] для сверхпроводника YBa₂Cu₃O₇ используются следующие материалы: Al₂О₃, LaAlO₃, CaTiO₃, YBCO, SrTiO₃, MgO, YSZ, CeO₂. На границе раздела затравочного слоя и подложки в результате их взаимной кристаллографической разориентации образуются границы сверхпроводниковых зерен, которые проявляют эффект Джозефсона. В этом способе также используются пленки, обладающие поликристаллической структурой с джозефсоновскими связями на границе зерен. Слабая связь, созданная искусственно, определяется авторами как связь между двумя сверхпроводниковыми регионами, обладающая плотностью критического тока на порядок меньшей, чем в объеме пленки. Эффект в такой структуре слабо выражен на общем фоне. Кроме того, в патенте заявлены материалы, обладающие меньшими критическими температурами перехода в сверхпроводящее состояние, чем в предлагаемом способе, а на границе изменения кристаллографической ориентации подложки возможно образование дефектов.

Известен способ изготовления джозефсоновского перехода на границе зерен сверхпроводника [3]. Используется подложка, содержащая хотя бы одну границу зерен, затем эпитаксиально осаждается высокотемпературная сверхпроводниковая пленка, на которой создается сверхпроводниковая структура, имеющая хотя бы две области, по одной с каждой стороны границы зерен. Изготавливается электрический контакт к сверхпроводниковым областям, чтобы ток протекал через границу зерен. Граница зерен в подложке формируется либо путем использования бикристаллической структуры, либо путем использования поликристаллической подложки. При использовании бикристаллической структуры формирование джозефсоновских переходов возможно лишь вдоль границы раздела кристаллов, что ограничивает свободу выбора места создания перехода. В этом способе также используются материалы, обладающие меньшими критическими температурами перехода в сверхпроводящее состояние, чем в предлагаемом способе.

Прототипом данного изобретения является способ изготовления высокотемпературных сверхпроводниковых структур, в которых используются поликристаллические пленки высокотемпературного сверхпроводника YBCO/СеО₂ [4]. Улучшение электрических характеристик достигается за счет регулирования свойств всей совокупности межзеренных границ. Для этого наносится пленка YBCO/СеО₂ на подложку MgO при помощи катодного распыления с последующим плазменным отжигом в атмосфере кислорода. Эта система представляет собой высокотемпературный сверхпроводник YBCO и изолятор CeO₂, не проявляющий свойств диффузии. Предполагается, что джозефсоновские связи возникают в результате сегрегации изолятора СеО₂ на границах сверхпроводниковых зерен, который таким образом их разъединяет. Получаемые по способу [4] джозефсоновские переходы представляют собой случайные массивы слабых связей на границах зерен. Таким образом, джозефсоновский эффект на структуре слабо выражен, так как вклад вносят большое количество зерен с различными параметрами. Заявляемые в работе [4] материалы обладают более низкими критическими температурами перехода в сверхпроводящее состояние по сравнению с высокотемпературным сверхпроводником состава (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ с Т_c≈110 К. Система состава YBa₂Cu₃O₇, которая описывается в работе [4], имеет Т_c≈90 К. Данная ВТСП система быстро деградирует при контакте с металлами и воздушной атмосферой.

Предлагаемый способ создания сверхпроводникового прибора позволяет решить эту техническую задачу. Используется пленка высокотемпературного сверхпроводника состава (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ с Т_c≈110 К, которая обладает поликристаллической структурой и на границе зерен которой присутствуют джозефсоновские связи. Толщина пленки меньше среднего размера зерна высокотемпературного сверхпроводника, для того чтобы все зерна лежали в один ряд. На пленке методом фотолитографии создается узкая область шириной менее среднего размера зерна и длиной, превышающей средний размер зерна в несколько раз. Затем вся площадь закрывается фоторезистом и методом фотолитографии формируется поперечная маскирующая полоска из фоторезиста, проходящая через полученную ранее узкую область сверхпроводника. Ширина маскирующей полоски равна среднему размеру зерна. После чего поверхность структуры запыляется металлом, который является контактом к сверхпроводнику и шунтирует все свободные границы зерен сверхпроводника. Удаляется фоторезист для освобождения от металлического шунта одиночного джозефсоновсокого перехода на границе двух сверхпроводниковых зерен под маскирующей полоской. Таким образом, на полученной узкой области под поперечной маскирующей полоской оказывается с большой вероятностью одна нешунтированная межзеренная граница, лежащая поперек линий транспортного тока. Оставшиеся по разные стороны от границы зерен области, запыленные металлом, используются в качестве омических контактов. В такой структуре джозефсоновский эффект будет проявляться гораздо сильнее, чем в среде, где в формировании электрических свойств участвует множество межзеренных границ.

На Фиг.1 представлена структура, полученная при помощи фотолитографии, где 1 - монокристаллическая подложка MgO, 2 - ВТСП пленка состава (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀, 3 - серебряные омические контакты, 4 - слабая связь на границе двух зерен.

На Фиг.1 представлена структура с одиночной слабой связью на границе двух зерен, на краях которой выполнены серебряные контакты.

На фиг.2а и 2б показаны вольт-амперные характеристики прибора. Вольт-амперная характеристика на фиг.2б получена при воздействии на структуру внешнего электромагнитного излучения частотой 10 ГГц.

В результате был получен сверхпроводниковый прибор на основе эффекта Джозефсона в виде слабой связи на границе двух монокристаллических зерен. На фиг.2а и 2б изображены вольт-амперные характеристики, продемонстрированные полученным сверхпроводниковым прибором.

В сверхпроводниковом приборе использовались пленки высокотемпературного сверхпроводника состава (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀, который имеет высокую критическую температуру Т_с˜110 К для фазы 2223, устойчивость к внешним воздействиям, отсутствие деградации, возможность получения в приемлемых для практических целей объемах и с хорошо контролируемыми свойствами. Данный материал имеет текстурированную поликристаллическую структуру.

Пример конкретной реализации способа.

Пленки были получены по трехстадийной схеме. На первой стадии осуществлялась подготовка поверхности монокристаллических подложек. Подложки MgO ориентации<001>, размером 14×14 мм² отжигались при температуре 1500°С в течение 10 мин.

На второй стадии методом ВЧ-магнетронного распыления мишени стехиометрического состава наносился слой оксидов металлов на монокристаллические подложки. Толщина напыленного слоя 60...100 нм.

На третьей стадии для получения требуемой кристаллографической структуры проводился отжиг пленок при температуре 850-860°С в течение 40 часов. В полученных пленках (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ с Т_c≈110 К наблюдалась высокая степень текстурированности, ось-с зерен перпендикулярна поверхности подложки, а по кристаллографическим направлениям а и b наблюдается высокая степень упорядоченности.

Для устойчивой работы прибора и воспроизводимости результатов необходимо создание текстурированных пленок с контролируемыми характеристиками границ зерен. В результате использования указанных выше параметров отжига получены текстурированные пленки со средним размером зерна порядка 2 мкм.

Для изготовления сверхпроводникового прибора на полученных пленках выполнялись следующие операции:

фотолитография 1

- нанесение фоторезиста ФП-53;

- формирование узкой структуры шириной 1 мкм и длиной 7 мкм, содержащие переход на границе двух зерен. Фиг.1;

фотолитография 2

- нанесение фоторезиста ФП-53

- формирование маскирующей полоски из фоторезиста шириной 2 мкм поперек полученной ранее узкой области сверхпроводника;

- осаждение серебра на поверхность структуры для шунтирования незакрытых фоторезистом границ зерен и создания омических контактов;

- травление фоторезиста для освобождения от металлического шунта одиночного джозефсоновсокого перехода на границе двух сверхпроводниковых зерен под маскирующей полоской.

Полученная структура представлена на фиг.1.

Предложенный способ позволяет решить проблему получения сверхпроводниковых приборов на основе одиночного джозефсоновского перехода в поликристаллических высокотемпературных пленках с джозефсоновскими связями на границе зерен, которые образуют случайные массивы, из-за чего эффект Джозефсона слабо выражен, так как вклад вносит большое количество зерен с различными параметрами. В приборе, реализованном по предложенному способу, наблюдается ярко выраженный эффект Джозефсона от одиночного перехода, что позволяет получать высокочувствительные сверхпроводниковые приборы, например СКВИДы, обладающие высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние и имеющие надежные эксплуатационные параметры.

Источники информации

1. Патент США №6147360 от 14.11.2000, H01L 29/06.

2. Патент США №5366953 от 22.11.1994, H01L 39/22.

3. Патент США №5278140 от 11.01.1994, B05D 05/12.

4. Патент США №5889289 от 30.03.1999, H01L 29/06 - прототип.

Способ изготовления сверхпроводникового прибора на основе поликристаллических пленок высокотемпературного сверхпроводника, в котором границы между зернами проявляют свойства джозефсоновского перехода, отличающийся тем, что материалом сверхпроводниковой пленки является (Bi,Pb)₂Sr₂Са₂Cu₃О₁₀, на которой методом фотолитографии создают узкую область шириной менее среднего размера монокристаллического зерна высокотемпературного сверхпроводника и длиной, превышающей средний размер зерна в несколько раз, после чего всю поверхность запыляют маскирующим слоем и методом фотолитографии формируют поперечную маскирующую полоску, проходящую поперек через полученную ранее узкую область сверхпроводника, и ширина которой равна среднему размеру зерна, а открытую область запыляют металлом для создания контактов к сверхпроводнику по обе стороны маскирующей полоски и шунтирования межзеренных границ вне этой области.