Способ уменьшения критического тока перехода наноразмерного сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное
METHOD OF REDUCING CRITICAL CURRENT OF TRANSITION OF NANOSIZED SUPERCONDUCTOR FROM SUPERCONDUCTING STATE TO NORMAL

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании функциональных переключаемых электронных устройств различного назначения, в том числе, для применения в процессорах с высокой плотностью функциональных элементов на основе сверхпроводящих нанопроводов.
Как известно, работа сверхпроводящих коммутаторов (СПК), основана на переводе токонесущего элемента из сверхпроводящего состояния в нормальное. При этом перевод осуществляется превышением одного из критических параметров сверхпроводящего токонесущего элемента (температуры, плотности тока, напряженности магнитного поля) или некоторой совокупности их. При использовании таких переключателей требуется повышенный расход энергии и связанное с ним тепловыделение, что ограничивает их использование в наноразмерных микросхемах.
Известен способ перевода сверхпроводящего ключа в нормальное состояние путем воздействия на него внешним магнитным полем, который предусматривает для увеличения эффективности перевода в нормальное состояние, одновременно с включением внешнего магнитного поля скачком увеличивают индуктивность сверхпроводящего ключа и наводят в нем ток, величина которого меньше критического значения, затем при постоянной величине индукции внешнего магнитного поля скачком уменьшают индуктивность сверхпроводящего ключа и одновременно скачком увеличивают до критического значения наведенный в ключе ток (RU 1623511 [1]). Недостатком является сложность реализации и ограниченность применения, заключающаяся в том, что он не может быть реализован в устройствах микроэлектроники.
Известен способ перевода сверхпроводника в электронных устройствах из сверхпроводящего состояния в нормальное путем его локального нагрева CN 104579280 [2] с использованием нагревательных стержней, окружающих переводимый в нормальное состояние сверхпроводник. Недостатком известного способа является достаточно длительный период возврата нагретого сверхпроводника из нормального состояние в сверхпроводящего. Кроме того, данный способ применим только для макрообъектов.
Известен способ перевода сверхпроводника в электронных устройствах из сверхпроводящего состояния в нормальное путем его локального нагрева JP 2013016664 [3] с использованием нагревательных элементов в виде меандра из фольги. Из-за ее малой теплоемкости и относительно большой площади обеспечивается как быстрый нагрев, так и быстрое охлаждение, что облегчает обратный перевод сверхпроводника из нормального состояние в сверхпроводящего. Этого достаточно для обеспечения работы тех аппаратов (МРТ), для которых этот способ используется в средствах аварийного отключения, но не применим в элементах логики, где требуется. Однако данный способ не обеспечивает снижения критического тока перехода наноразмерного сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное и высокое быстродействие. Кроме того, данный способ применим только для макрообъектов.
Известен способ перевода сверхпроводника в электронных устройствах из сверхпроводящего состояния в нормальное путем увеличения суммарного проходящего по нему тока до значений, превышающих величину критического (US 2015045228 [4]). Это достигается тем, что в дополнение к уже протекающему по сверхпроводнику току создается наведенный индукционный ток путем подачи тока управления на индукционную катушку, сформированную на поверхности сверхпроводника. Суперпозиция индуктивных токов и напряжения постоянного тока превышает критическую плотность тока материала сверхпроводника, который инициирует переход в нормальное состояние. Недостатками используемого метода является его неприменимость для микро и наноустройств с высокой плотностью функциональных элементов (например, процессоров) на основе сверхпроводников в связи с тем, что магнитное поле от используемой RF катушки захватывает большую площадь и объем существенно превышающие размеры функциональных элементов, что будет неизбежно вызывать ложные срабатывания многочисленных соседних, по отношению к управляемому, элементу. Кроме того, способ не обеспечивает снижения критического тока перехода наноразмерного сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное, что приводит к повышенному энергопотреблению и тепловыделению.
Известно техническое решение, предусматривающее формирование составного проводника, часть которого состоит из сверхпроводящего материала, а часть из нормального (резистивного) (KR 20050010228 [5]). Задачей его является снижение сопротивления создаваемого соединения. Использовать его в микроэлектронике невозможно из-за макро размеров и технологических сложностей изготовления.
Известен используемый в микроэлектронике (для использования в логических элементах и цифровых схемах) способ перевода сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное путем управления величиной критического тока известный из US 5831278 [6], который может быть выбран в качестве ближайшего аналога. Объектом управления является джозефсоновский переход, при этом между джозефсоновским переходом и линией управления должен быть изолирующий слой. Толщина этого слоя должна быть такой, чтобы линия управления была электрически изолирована от джозефсоновского перехода, но обеспечивала магнитную связь. Способ заключается в изменении величины тока до критического путем добавления индуцированной составляющей за счет прохождения тока по линии управления.
Соединение может быть возвращено в его сверхпроводящее состояние путем снятия управляющего тока, тем самым исключая магнитное поле, которое индуцируется за счет тока контроля и восстановления критического тока перехода к своему прежнему значению. К недостаткам данного способа можно отнести, во-первых, то, что таким способом можно управлять током через джозефсоновский переход, в то время как управление сверхпроводимостью сверхпроводников, не содержащих джозефсоновские переходы, требует существенно больших магнитных полей, которые не могут быть созданы таким способом. Во-вторых, размеры областей, охватываемые магнитным полем всегда существенно превышают размеры источников магнитного поля, что создает препятствия для формирования высокоплотных функциональных элементов на основе джозефсоновских переходов и их совокупностей (например, для процессоров) которые исключают ложные срабатывания при таком способе управления. Кроме того, способ не обеспечивает снижения критического тока перехода наноразмерного сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное, что приводит к повышенному энергопотреблению и тепловыделению.
Заявляемый способ уменьшения критического тока перехода наноразмерного сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное направлен на снижение энергопотребления и тепловыделения в электронных функциональных наноразмерных устройствах с высокой плотностью элементов.
Указанный результат достигается тем, что способ уменьшения критического тока перехода наноразмерного сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется путем включения участков нормальных сопротивлений в наноразмерный сверхпроводник.
Способ уменьшения критического тока перевода наноразмерного сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное заключается в том, что в наноразмерном сверхпроводнике создается резистивная область, которая находится в нормальном состоянии при рабочей температуре. Экспериментально было установлено, что при этом происходит уменьшение прямого критического тока перехода сверхпроводящего нанопроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное до уровня тока обратного перехода. При этом такое уменьшение критического тока происходит примерно в 5-10 раз по сравнению со сверхпроводниками, в которых эта резистивная область отсутствует. Уменьшение величины критического тока обуславливает снижение энергопотребления в любых функциональных элементах, использующих интегрированные сопротивления, например, переключателях, логических устройствах и т.п.вплоть до двух порядков величины. Технология преобразования участков нанопроводов из сверхпроводящих в нормальные известна. См. RU 2541679, RU 2645167, RU 2476373, RU 2477902.
Сущность заявляемого способа поясняется примером реализации и графическими материалами. На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки для измерения величины критического тока. На фиг. 2 вольт-амперная характеристика нанопроводника без встроенного резистивного элемента. На фиг.3  вольт-амперная характеристика нанопроводника с резистивным элементом.
В общем случае эксперимента по определению величины критического тока проводится с помощью установки, представленной на фиг. 1 следующим образом.
Исследуемый нанопроводник 1 помещается в жидкий гелий (температура 4.2К) или в другое устройство, позволяющее достичь рабочей температуры, ниже температуры сверхпроводящего перехода материала нанопроводника.
С помощью источника тока 2 через нанопроводник пропускается постоянный ток, который измеряется амперметром 3, при этом напряжение на нанопроводнике измеряется вольтметром 4.
Величина тока через нанопроводник медленно увеличивается до момента возникновения напряжения на нанопроводнике. В момент возникновения напряжения на нанопроводнике фиксируется величина тока, которая соответствует току прямого перехода нанопровода из сверхпроводящего состояния в нормальное.
Далее, величина тока через нанопровод медленно уменьшается до момента исчезновения напряжения на нанопроводнике. В момент исчезновения напряжения на нанопроводнике фиксируется величина тока, которая соответствует току обратного перехода нанопровода из нормального состояния в сверхпроводящее.
Таким образом измеряются прямой и обратный ток нанопроводника. Пример определения критического тока в чистом сверхпроводнике.
В качестве примера рассмотрим определение критических токов в нанопроводе из нитрида ниобия (NbN). Нанопроводник из нитрида ниобия длиной 1000 нм, шириной 200 нм и толщиной 4 нм изготавливается методами электронной литографии и плазмохимического травления на диэлектрической подложке из сапфира. Для подключения нанопроводника к схеме электрических измерений, к его концам методом взрывной фотолитографии формируются макроскопические металлические контакты из платины толщиной 20 нм с подслоем титана толщиной 10 нм. Нанопроводник на подложке помещается в жидкий гелий (температура 4.2 К) или в другое устройство, способное обеспечить достижение рабочей температуры 4.2 К, например, криогенную машину замкнутого цикла.
С помощью источника тока 2 через нанопроводник пропускается постоянный ток, который измеряется амперметром 3, при этом напряжение на нанопроводнике измеряется вольтметром 4.
Величина тока через нанопроводник медленно увеличивается до момента возникновения напряжения на нанопроводнике. В момент возникновения напряжения на нанопроводнике фиксируется величина тока, которая соответствует току прямого перехода нанопровода из сверхпроводящего состояния в нормальное.
Далее, величина тока через нанопровод медленно уменьшается до момента исчезновения напряжения на нанопроводнике. В момент исчезновения напряже-ния на нанопроводнике фиксируется величина тока, которая соответствует току обратного перехода нанопровода из нормального состояния в сверхпроводящее.
1
2
По результатам вышеописанных измерений напряжения на нанопроводе в зависимости от величины тока через него строится вольт-амперная характеристика нанопроводника, показанная на фиг. 2. Прямой ток нанопроводника I определяется в момент появления напряжения на нанопроводнике при увеличении тока, а обратный ток I определяется в момент исчезновения напряжения на нанопроводнике при уменьшении тока.
Пример определения критического тока в сверхпроводнике с резистивным участком.
+
В качестве примера рассмотрим определение критических токов в нанопроводе из нитрида ниобия (NbN) со сформированным резистивным участком. Нанопроводник из нитрида ниобия длиной 1000 нм, шириной 200 нм и толщиной 4 нм изготавливается методами электронной литографии и плазмохимического травления на диэлектрической подложке из сапфира. Для подключения нанопроводника к схеме электрических измерений, к его концам методом взрывной фотолитографии формируются макроскопические металлические контакты из платины толщиной 20 нм с подслоем титана толщиной 10 нм. Далее в нанопроводе формируется резистивный участок длиной 400 нм и шириной 200 нм и толщиной 4 нм полностью перекрывающий сечение нанопроводника. Резистивный участок формируется, например, за счет облучения выбранного участка нанопровода через окно в маске, созданной методом электронной литографии. Облучение проводится смешанным ионным пучком, состоящим из протонов и ионов ОН до дозы, достаточной для преобразования нитрида ниобия в металлическое состояние.
Нанопроводник с интегрированным резистивным участком на подложке помещается в жидкий гелий (температура 4.2 К) или в другое устройство, способное обеспечить достижение рабочей температуры 4.2 К, например, криогенную машину замкнутого цикла.
С помощью источника тока 2 через нанопроводник пропускается постоянный ток, который измеряется амперметром 3, при этом напряжение на нанопроводнике измеряется вольтметром 4.
Величина тока через нанопроводник медленно увеличивается до момента возникновения скачка напряжения на нанопроводнике, сопровождающего переход сверхпроводящей части нанопроводника в нормальное состояние. В момент возникновения скачка напряжения на нанопроводнике фиксируется величина тока, которая соответствует току прямого перехода нанопровода с резистивным участком из сверхпроводящего состояния в нормальное.
Далее, величина тока через нанопровод с резистивным участком медленно уменьшается до обратного скачка напряжения, сопровождающего момента перехода сверхпроводящей части нанопроводника из нормального состояния в сверхпроводящее. В момент обратного скачка напряжения на фиксируется величина тока, которая соответствует току обратного перехода нанопровода с резистивным элементом из нормального состояния в сверхпроводящее.
По результатам вышеописанных измерений напряжения на нанопроводе с резистивным элементом в зависимости от величины тока через него строится вольт-амперная характеристика нанопроводника с резистивным элементом, показанная на фиг. 3.
1
2
R
R
Прямой ток нанопроводника I определяется в момент скачка напряжения на нанопроводнике с резистивным элементом при увеличении тока, а обратный ток I определяется в момент скачка напряжения на нанопроводнике с резистивным элементом при уменьшении тока.
1
2
R
Поскольку прямой ток нанопроводника с резистивным элементом I (фиг. 3) соответствует обратному току I без резистивного элемента (фиг. 2), введение резистивного элемента уменьшает величину прямого критического тока сверхпроводящего нанопроводника, что обеспечивает уменьшение энергопотребления устройства, поскольку выделяемая электрическая мощность пропорциональна квадрату протекающего тока.