СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ДЖОЗЕФСОНОВСКИЙ ПРИБОР С КОМПОЗИТНОЙ МАГНИТОАКТИВНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ
SUPERCONDUCTING JOSEPHSON DEVICE WITH COMPOSITE MAGNETIC LAYER

Изобретение относится к криоэлектронным приборам и может быть использовано в радиотехнических устройствах СВЧ-диапазона, а также в информационных системах, работающих при низких температурах.
Известен джозефсоновский торцевой контакт с электропроводящими (или полупроводниковыми) слоями, образующими барьерную прослойку между двумя сверхпроводящими слоями (патент DE 4431340 (А1) 1996-03-07 «Josephson contact with multilayer barrier» - Schilling Meinhard). В таком торцевом джозефсоновском контакте барьер состоит как минимум из двух слоев, состоящих из металлических и полупроводниковых материалов с кристаллической структурой перовскита, в котором (в барьерной прослойке) по крайней мере в одном слое реализуется высокая проводимость. Кроме того, в джозефсоновском торцевом контакте по крайней мере один слой, образующий барьерную прослойку, по сравнению с другими слоями обладает существенно большей сверхпроводящей длиной когерентности. При этом сама барьерная прослойка образуется из поочередно соединенных слоев так, чтобы слой с низкой проводимостью чередовался со слоем с более высокой проводимостью.
2
В другом типе торцевого джозефсоновского контакта (патент DE 19634645 «Superconductive and non-superconductive layer sequence» R. Holczyk, U. Poppe, Ch. Jia). последовательность и состав слоев может включать последовательность из сверхпроводящего материала, содержащего плоскости CuO, и несверхпроводящих слоев из следующих материалов:
(I)
BaTbO<sub>3</sub>;
(II)
Ba<sub>1-x</sub>Sr<sub>x</sub>TbO<sub>3</sub> (x=0 1),
(III)
LaCu<sub>1-x</sub>Tb<sub>x</sub>O<sub>3</sub> (х=0 до 1),
(IV)
RCu<sub>1-x</sub>Tb<sub>x</sub>O<sub>3</sub> (R=Nd, Eu и Sm и х=0 до 1),
(V)
Ba<sub>1-x</sub>Sr<sub>x</sub>MO<sub>3</sub> (М=Tb, Pr или Се и х=0 до 1),
(VI)
LaCu<sub>1-x</sub>M<sub>x</sub>O<sub>3</sub> (М=Tb, Pr или Се и х=0 до 1),
(VII)
RCu<sub>1-x</sub>M<sub>x</sub>O<sub>3</sub> (R=Nd, Eu и Sm, М=Tb, Pr или Се и х=0 до 1),
(VIII)
R<sub>1-y</sub>NyCu-<sub>1x</sub>M<sub>x</sub>O<sub>3</sub> (R=La, Nd, Eu и Sm, N=Ba или Sr, М=Tb, Pr или Се, х=0 1 и у=0 до 1),
(IX)
R<sub>2-y</sub>N<sub>y</sub>Cu<sub>1-x</sub>M<sub>x</sub>O<sub>4</sub> (R=La, Nd, Eu и Sm, N=Ba или Sr, M=Tb, Pr или Се, x=0 до 1 и у = от 0 до 1)
3
2
3
7
3
2
3
7
3
2
3
7
3
2
3
7
3
В качестве примера реализации в указанном патенте приведена 5-слойка, сформированная на подложке SrTiO: Pt-YBaCuO - BaTbO - YBaCuO - BaTbO - YBaCuO-SrTiO (Pt - металлизация). Отмечается, что граница раздела между YBaCuO/BaTbO имеет протяженность порядка 0,6 нм.
Известен патент (US 2007281861 (А1) 2007-12-06 «Superconducting device and method of manufacturing the same» Ishimaru Yoshihiro, Tarutani Yoshinobu, Tanabe Keiichi), в котором предлагается (помимо однослойных устройств на переходах в бикристаллической конфигурации) многослойное сверхпроводящее устройство, состоящее из подложки, первой сверхпроводящей пленки, изолирующего слоя (барьера) и второй сверхпроводящей пленки. В многослойной сверхпроводящей структуре барьерный слой формируется на нижней (первой) сверхпроводящей пленке.
Общим недостатком такого типа торцевых многослойных устройств является собственно их геометрия, не позволяющая обеспечить идентичность характеристик тонкой пленки в области торцевого скоса и на плоских участках подложки [М. van Zalk, А. Brinkman, J. Aarts, and H. Hilgenkamp, Phys.Rev. В 82, 134513 (2010)].
Известно гибридное устройство с планарной геометрией - оксидная гетероструктура (патент Bozovic I., WO 0239509-A2). Устройство включает в себя подложку и монолитно сформированную на подложке структуру, содержащую один или более магнитных F-слоев из оксидов металлов, формируемых молекулярно-лучевой эпитаксией (слой за слоем). Отметим, что для обеспечения требуемого качества границ раздела S/F, F/F слоев необходимо применение (как и предложено в указанном патенте) уникальной установки молекулярно-лучевой эпитаксии, которая не может быть заменена другими известными методами получения тонких пленок.
S
F
N
F
Известен также сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом (патент RU 2373610 (С1) - 2009-11-20), Карминская Т.Ю., Куприянов М.Ю., Рязанов В.В. (прототип предлагаемого технического решения). Устройство-прототип представляет собой джозефсоновский переход длиной L, в котором слабая связь образована тонкопленочной магнитоактивной трехслойной FNF структурой (F - ферромагнитный материал, N - нормальный металл), а сверхпроводниковые (S) электроды контактируют с противолежащими боковыми гранями слоистой структуры. Слои S, F, N характеризуются длиной когерентности ξ, ξ, ξ соответственно, а длина L выбирается в интервале от долей до единиц ξ. При этом F-слои выполнены с возможностью разворота векторов намагниченности относительно друг друга в плоскости слоистой структуры, предусматривая возможность перехода из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние и обеспечение генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи. Угол разворота векторов намагниченности должен быть заключен в интервале значений, при которых достигается максимальная величина модуля сверхпроводящего тока. Задание сверхпроводящего тока осуществляется в направлении, параллельном FN-границам композитной области слабой связи в S-(FNF)-S структуре.
C
F
F
80
20
Основным недостатком прототипа является экспоненциальное уменьшение значений плотности критического тока j структуры с увеличением ее длины L, которая не может превосходить нескольких длин когерентности ξ. Согласно [J.W.A. Robinson, S. Piano, G. Burnell, С. Bell, and M.G. Blamire Phys. Rev. В 76, 094522, (2007)] величины ξ для типичных ферромагнитных материалов NiFe - 0.46 нм, Ni - 1.2 нм, Со - 0.3 нм, Fe - 0.25 нм. Для обеспечения малости длины L S-(FNF)-S джозефсоновского перехода требуется труднодоступное и дорогостоящее технологическое оборудование, которое обеспечит получение субмикронных зазоров с контролируемой поверхностью нижнего электрода. При этом требуемая протяженность границ раздела S/FNF и FNF/S в патенте-прототипе не специфицируется.
Анализ уровня техники показывает, что общим недостатком тонкопленочных джозефсоновских устройств, выполненных в торцевой геометрии, является неидентичность характеристик пленки в области торцевого скоса и на плоских участках подложки. В устройстве-прототипе этот недостаток преодолен за счет планарного расположения слоев FNF структуры, которая подсоединена к сверхпроводниковым электродам боковыми гранями. Для практической реализации такого прибора требуется чрезвычайно короткая (порядка единиц нанометров) длина L FNF структуры, при этом необходимо обеспечить требуемое качество границ раздела между торцами FNF-структуры и S-электродами при условии сохранения их недеформированными в процессе технологических операций изготовления прибора, что является проблематичным для современного уровня технологии, при этом остается открытым вопрос интегрируемости джозефсоновского устройства-прототипа с антенной.
Целью изобретения является:
C
C
1) обеспечение возможности управления плотностью критического тока j за счет варьирования толщинами тонких пленок композитной магнитоактивной прослойки, что позволяет устранить недостаток прототипа - экспоненциальное уменьшение плотности критического тока j в зависимости от длины L джозефсоновского прибора с магнитоактивной прослойкой;
2) обеспечение интегрируемости тонкопленочного сверхпроводникового джозефсоновского прибора со сверхпроводниковой антенной на одном чипе.
3
0.7
0.3
3
3
SRO
LSMO
F
SRO
LSMO
M
SRO
LSMO
C
C
2
Поставленная цель достигается тем, что сверхпроводниковый джозефсоновский прибор Sd-M-S (Sd - базовая пленка YBCO, М - композитная магнитоактивная прослойка, S - верхний сверхпроводниковый электрод) формируется на одной подложке (чипе) методами плазмо-химического и ионного-лучевого травлений, а ее тонкопленочная топология интегрируема со сверхпроводниковой тонкопленочной антенной. В качестве подложки используется NdGaO с ориентацией (110), для Sd используется эпитаксиально выращенная пленка сверхпроводящего купрата YBCO, а в качестве композитного магнитоактивного слоя М используются последовательно осаждаемые пленки манганита LaSrMnO, (LSMO) и рутената стронция SrRuO (SRO). Направление вектора намагниченности пленки LSMO лежит в плоскости подложки, а в SRO вектор намагниченности направлен под углом примерно 23° относительно нормали к подложке, что обеспечивает из неколлинеарность. При этом плотность критического тока определяется суммой и отношением толщин SRO и LSMO пленок (d и d соответственно). Толщины пленок определяются числом импульсов лазерной абляции, что с учетом длин когерентности ξ в SRO и LSMO обеспечивает как оптимальное соотношение d/d, так и суммарную толщину d=d+d композитной прослойки, варьируемой от единиц до десятков нанометров. В качестве верхнего электрода S используется сверхпроводящая двухслойка AuNb. Толщина Au в верхнем электроде AuNb должна обеспечивать сверхпроводящий эффект близости. Планарный размер структуры L (длина и ширина) составляет величину от долей до десятков микрометров и определяет амплитуду критического тока I=jL. При приложении внешнего магнитного поля происходит изменение взаимной пространственной ориентации намагниченностей пленок SRO и LSMO в М прослойке, обеспечивающее не только модуляцию критического тока, но и оказывает модифицирующее влияние на функцию ток-фазовой зависимости.
C
1
d
2
N
N
2
Тонкие пленки Sd и М выращиваются in situ в той же вакуумной камере при высокой температуре нагрева подложки, а затем полученная структура ex situ покрывается тонким, 20-30 нм, слоем Au после охлаждения до комнатной температуры. Последующий слой ниобия для электрода S наносится методом магнетронного распыления после нанесения дополнительной защитной пленки Au (после стравливания с целью очистки поверхности слоя золота, осажденного на предыдущем этапе in situ). Подслой золота используется для сохранения стехиометрии по кислороду оксидной прослойки и предотвращения окисления приповерхностного слоя ниобия и предотвращения образования окислов. Эффект близости между сверхпроводящим Nb и тонким слоем металла Au может проявляться в некотором снижении критической температуры бислоя NbAu до значения T=8,5-9 K. Величины прозрачности границ раздела I (между купратным сверхпроводником S и магнитоактивным материалом М) и I (между слоем М и верхним S-электродом из двухслойки AuNb) определяются значениями характерного сопротивления RA, где R - сопротивление структуры в нормальном состоянии, A=L - площадь контактной области.
Сущность изобретения поясняется на чертежах:
1
2
Фиг. 1. Гетероструктура сверхпроводникового джозефсоновского прибора с композитной магнитоактивной прослойкой: (а) схематическое изображение и функциональная модель. 1 - подложка, 2 - тонкая пленка YBCO, 3 и 4 пленки композитной магнитоактивной прослойки, 5 - пленка Nb. Снятие вольт-амперных характеристик осуществляется подключением источника тока «А» и вольтметра «V» через контактные площадки из золота на электродах 2 и 5. В функциональной модели S - сверхпроводниковая двухслойка NbAu, Sd - сверхпроводник YBCO, М - магнитоактивная прослойка, которая состоит из двух ферромагнитных слоев, I и I - барьерные области, образующиеся на границах раздела, (б) увеличенное изображение (фотография) фрагмента гетероструктуры с антенной, сформированной на электродах 2 и 5.
SRO
LSMO
Фиг. 2. Семейство вольт-амперных характеристик при Т=4,2 K и частоте СВЧ воздействия 41 ГГц. Параметры джозефсоновского прибора с композитной магнитоактивной прослойкой: d=6 нм, d=5.5 нм, L=10 мкм. Параметр α - вносимое затухание в тракт внешней электродинамической системы.
a
RF
C
Фиг. 3. Нормированные зависимости критического тока (кружки), первой ступени Шапиро (треугольники) и полуцелой ступени Шапиро (ромбы) от нормированной амплитуды СВЧ-излучения =I/I. Линиями показаны теоретические зависимости, рассчитанные по модифицированной резистивной модели, учитывающей влияние второй гармоники ток-фазовой зависимости сверхпроводящего тока.
FFT
Фиг. 4. Фурье анализ периодов модуляции критического тока внешним магнитным полем (ΔH) и соответствующие амплитуды Фурье компонент в зависимости от параметра 1/L для магнитнополевых зависимостей критического тока трех джозефсоновских гетероструктур, расположенных на одном чипе.
2
3
7-δ
3
C
0.7
0.3
3
3
Сверхпроводниковый джозефсоновский прибор с композитной магнитоактивной прослойкой (Фиг. 1) может быть сформирован на основе эпитаксиально выращенных пленок оксидных материалов. Для этого предлагается использовать известные методы лазерной абляции, магнетронного распыления и катодного распыления при высоком давлении кислорода. Для получения базовых пленок купратного сверхпроводника YBaCuO (YBCO) применима подложка NdGaO (NGO) с ориентациями (110). Такой подход позволяет управлять свойствами эпитаксиально сформированных многослойных структур и получать базовые пленки купратных сверхпроводников с критической температурой T=88-89 K. Для получения магнитных пленок прослойки М можно использовать тонкие пленки оптимально допированного манганита LaSrMnO (LSMO) при температурах Т<100 K, обладающего свойствами ферромагнетиков. Аналогичный подход применим и для напыления пленок других оксидных материалов, в частности рутената SrRuO (SRO), а также композитной прослойки рутенат-манганит SRO/LSMO. На рентгеновских спектрах опытных образцов наблюдались пики трех материалов гетероструктуры YBCO, LSMO и SRO, что указывает на эпитаксиальный рост пленок в гетероструктуре и отсутствие перемешивания материалов на границах раздела. Топология джозефсоновского прибора может быть сформирована известными методами фотолитографии, плазмо-химического и ионного-лучевого травлений. Тонкие пленки в многослойных структурах с контролируемой толщиной от единиц до десятков нанометров могут быть эпитаксиально выращены без разрыва вакуума при высокой температуре нагрева подложки. Для нагрева и поддержания подложки при высокой температуре может быть использован нагреватель на основе элемента "ThermoCoax", состоящий из центральной жилы NiCr, коаксиальной оболочки из нержавеющей стали и изолирующей прослойки из порошкообразного MgO. Под крышку нагревателя с помощью серебряной пасты, обеспечивающей хороший термический контакт, вклеивается изолированная термопара Cu/NiCr. Для достижения хорошего термического контакта подложка также приклеивается к крышке нагревателя серебряной пастой.
Перед осаждением двухслоек Au/Nb поверхность обрабатывается методами радиочастотного травления или ионно-лучевого травления в атмосфере Ar в зависимости от типа использовавшихся напылительных установок. Осаждение пленок Au и Nb проводится методами радиочастотного распыления и радиочастотного магнетронного распыления мишеней Au и Nb соответственно. Толщина пленки Au составляла 5-30 нм, Nb 200 нм. Для предотвращения химического взаимодействия Nb с фоторезистом в процессе длительного ионно-лучевого травления пленки YBCO на поверхность пленки Nb осаждается дополнительный защитный слой Au толщиной 30 нм.
4
2
2
2
C
2
2
2
Для формирования топологии сверхпроводникового джозефсоновского прибора с композитной магнитоактивной прослойкой используется фотолитография. Многослойка Au/Nb/Au/M/YBCO покрывается слоем фоторезиста Shipley-1813 толщиной порядка 1 мкм, который после процессов засветки и проявления оставался в области перехода, образуя маску, через которую затем производилось травление многослойки Au/Nb/Au/MYBCO. Для травления Nb применяется плазмо-химическое травление в смеси CF и O. Удаление пленок Au, YBCO и манганитной прослойки производится ионно-лучевым травлением с низкой энергией ионов Ar+ 250 эВ и плотностью ионного тока 0.2 мА/см, что уменьшает влияние ионной бомбардировки на поверхностный слой манганитной прослойки и YBCO пленки. Сформированную указанным способом многослойную структуру следует затем изолировать с торцов изолирующим слоем SiO, который позволяет локализовать область протекания тока и избежать паразитных контактов по торцам YBCO пленки. Из областей переходов и контактных площадок пленка SiO удаляется методом взрывной фотолитографии. На последнем этапе производится напыление дополнительных слоев Nb и Au и формирование в них рисунка, обеспечивающего возможность проведения 4-точечных электрических измерений при Т<T. На Фигуре 1б показано увеличенное изображение (фотография) фрагмента центральной гетереструктуры с антенной на подложке 5×5 мм, на которой расположено пять структур Nb/Au/M/YBCO размерами от 10×10 до 50×50 мкм.
C
C
1
2
C
N
1
1
C
1/2
FFT
C
C
Измерения зависимостей критического тока I от магнитного поля показали, что на зависимостях I(H) критический ток увеличивается при приложении слабого магнитного поля Н=5-15 Э. Конкретная величина магнитного поля, при котором наблюдается максимум критического тока, зависит от параметров Nb/Au/M/YBCO и направления магнитного поля. Теоретические расчеты [L. Trifunovic, Z. , and Z.  Phys. Rev. B, 84, 064511 (2011) и A.S. Mel′nikov, A.V. Samokhvalov, S.M. Kuznetsova et al., Phys. Rev Lett., 109, 237006 (2012)] предсказывают значительное (на несколько порядков) увеличение второй гармоники ток-фазовой зависимости сверхпроводящего тока для случая несимметричной прослойки (d≠d) при изменении угла между направлениями намагниченностей пленок прослойки. При измерении динамики изменения ступенек Шапиро было обнаружено отклонение от синусоидальности ток-фазовой зависимости. На ВАХ прибора с L=10 мкм и I=88 мкА и нормальным сопротивлением R=0,16 Ом под воздействием монохроматического СВЧ-излучения на частоте  ГГц наряду с целочисленными наблюдаются дробные ступени Шапиро (Фигуры 2 и 3). Для критической частоты  ГГц отношение  хорошо соответствует условию высокочастотного предела, что в эксперименте подтверждается величиной максимума первой ступени Шапиро I=94 мкА и соответственно отношением I/I=1.1. При этом максимальная высота полуцелой ступени Шапиро была I=15 мкА, что в рамках модифицированной резистивной модели [P. Komissinskiy, G.A. Ovsyannikov, K.Y. Constantinian et al., Phys Rev B, 78, 024501 (2008)] с учетом несинусоидальной ток-фазовой зависимости указывает на существенный вклад от второй гармоники. Модификация ток-фазовой зависимости под воздействием внешнего магнитного поля показана на Фигуре 4, демонстрирующей результат Фурье-анализа периодов модуляции ΔH критического тока I внешним магнитным полем Н и соответствующие амплитуды Фурье-компонент в зависимости от параметра 1/L для магнитнополевых зависимостей критического тока I(Н) для трех сверхпроводниковых джозефсоновских приборов с композитной магнитоактивной прослойкой, расположенных на одном чипе.
Таким образом, технический результат предлагаемого сверхпроводникового джозефсоновского прибора с многослойной магнитоактивной прослойкой состоит в следующем: а) конструкция прибора обеспечивает возможность управления плотностью сверхпроводящего тока за счет выбора толщин ферромагнитных пленок композитной магнитоактивной прослойки, б) прибор характеризуется несинусоидальной ток-фазовой зависимостью сверхпроводящего тока, модулируемого внешним магнитным полем и СВЧ сигналом, в) изготовление прибора основывается на известных и доступных методах осаждения тонких пленок с контролируемой толщиной каждого слоя, г) формирование прибора в планарной топологии позволяет его интеграцию в планарную широкополосную тонкопленочную антенну на одном чипе.