ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ
HIGH-FREQUENCY SUPERCONDUCTING MEMORY ELEMENT

Изобретение относится к криогенной электронике, а именно к элементам быстрой криогенной памяти, и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах.
c
J
-15
-4
-18
На сегодняшний день устройства на основе эффекта Джозефсона характеризуются очень высоким быстродействием: характерная частота F джозефсоновских элементов на основе низкотемпературных сверхпроводников лежит в диапазоне от десятков до сотен гигагерц, а при использовании высокотемпературных сверхпроводников может достигать единиц и даже десятков терагерц. Высокое быстродействие, высокая чувствительность, предельно низкая энергия переключения джозефсоновских элементов E=2·10 Вб · 10 А ≈ 10 Дж открывает большие перспективы для разработки аналоговых и цифровых устройств, которые способны работать в более высоких диапазонах частот сигналов, обеспечивать более высокие скорости обработки информации по сравнению с традиционной полупроводниковой электроникой. Традиционно известные джозефсоновские гетероструктуры (ДГС) представляют собой сформированную на диэлектрической подложке многослойную тонкопленочную структуру, включающую слои сверхпроводника, изолирующие, барьерные и функциональные слои. В зависимости от назначения и конструктивного исполнения осуществляется выбор материалов подложек и самих активных сред.
Прогресс в этой области сильно ограничен отсутствием соответствующей по быстродействию и уровню сигналов, высокоемкой, энергоэффективной сверхпроводниковой памяти. На сегодняшний день рекордная продемонстрированная емкость сверхпроводникового запоминающего устройства с произвольной выборкой составляет всего 4 кбит, что является совершенно недостаточным показателем для практических применений. Ввиду отсутствия подходящей сверхпроводниковой памяти в современных сверхпроводниковых цифровых системах используются гибридные схемы, содержащие как сверхпроводниковые, так и полупроводниковые/магниторезистивные компоненты (US 0244958, Bulzacchelli J., 01.10.2009). Однако использование такого подхода заметно уменьшает быстродействие и позволяет решать лишь ограниченный круг задач.
Для обеспечения возможности интеграции джозефсоновской памяти на магнитных джозефсоновских контактах с цепями сверхбыстрой цифровой сверхпроводниковой электроники исследуемые структуры должны удовлетворять двум требованиям:
1) допускать возможность быстрого перемагничивания ферромагнитной прослойки, включенной в джозефсоновский переход, малым магнитным полем для обеспечения операции «Запись» и
2) обладать малым временем переключения джозефсоновского перехода (высокой характерной частотой) для реализации операции «Считывание».
Известны различные технические решения, направленные на создание элементов и систем джозефсоновской памяти. В особую группу необходимо выделить решения, найденные и запатентованные на первых этапах развития быстрой одноквантовой логики (БОК-логики): в БОК-схемах носителем информации является квант магнитного потока, и, следовательно, в первых сверхпроводниковых устройствах памяти элементарной ячейкой являлся сверхпроводящий квантовый интерферометр (сквид), причем логическому «нулю»/«единице» в ячейке памяти соответствовало отсутствие/наличие кругового тока в достаточно большой индуктивности сквида (JP 3194796, Suzuki, 22.12.1989; US 5260264, Kurosawa, 26.03.1990). На основе различных сквидов были созданы достаточно сложные сверхпроводниковые системы с памятью, включая:
- трехтерминальные ячейки для криогенных компьютеров (US 5365476, Mukhanov O.A., 26.02.1993);
- джозефсоновские ячейки памяти с несколькими устойчивыми состояниями (JP 11191294, Chan, 10.10.1997);
- сверхпроводящие элементы памяти со встроенной защитой от ошибок (US 5629889, Chandra P., 14.12.1995).
Особо хотелось бы отметить созданные в рамках такого подхода аналоги запоминающих устройств с произвольным доступом к ячейкам (US 0255987, Nagasawa S., 16.11.2006). Однако и самые изощренные схемотехнические решения не могли скомпенсировать главный недостаток ячейки памяти на основе сквида - ее чрезвычайно большой по меркам современной электроники размер.
Известен прибор на основе джозефсоновского перехода (JP 3190175, Yuzurihara et al., 20.08.1991), представляющий собой устройство с четырьмя токоподводами, в котором ток, задаваемый через одну из пар токоподводов, переводит в ферромагнитное состояние имеющуюся внутри устройства пленку из антиферромагнитного вещества, не находящегося в области джозефсоновского контакта. Возникающий при этом магнитный момент создает магнитное поле, приводящее к подавлению критического тока джозефсоновского элемента, расположенного между двумя другими токоподводами устройства, и к генерации на нем импульса напряжения.
С начала 2000-х годов начали развиваться работы по созданию компактных сверхпроводящих элементов памяти, в которых прикладываемые поля и токи управляли свойствами токового транспорта через гетероструктуру со сверхпроводящими слоями (US 6233171 B1, Youm and Beasley, 15.05.2001).
Описан токовый вентиль, предназначенный для управления потоком электронов, имеющий многослойную структуру «сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник» и не использующий диэлектрические барьерные слои (US 6995390, Tsukui, 07.02.2006). В другом изобретении описана конструкция, позволяющая осуществлять управление критическим током пятислойных двухбарьерных джозефсоновских переходов, в которых расположенный внутри барьеров материал содержит ферромагнитную пленку, обеспечивающую зеемановское расщепления резонансных уровней электронов во внутрибарьерной области. Это необходимо для осуществления контроля величины критического тока структуры посредством управления положением расщепленных уровней относительно энергии Ферми электродов напряжением, приложенным к дополнительным управляющим контактам структуры (US 6344659, Ivanov et al., 05.02.2002).
Известно устройство на джозефсоновском переходе (US 20090233798 A1, Maeda, 17.09.2009), которое состоит из сверхпроводящего слоя, размещенного на подложке, поверх которого нанесен слой ферромагнитного материала (который может быть и электропроводным), отделенный от сверхпроводника барьером изолятора. Однако для всех перечисленных устройств характерен малый масштаб проникновения сверхпроводящих корреляций в магнитную область (или даже отсутствие таковой) и отсутствует возможность эффективного управления критическим током посредством слабого внешнего магнитного поля, что является критически важным недостатком для любого перспективного прототипа элемента джозефсоновской памяти.
Известен сверхпроводниковый спиновый вентиль, включающий размещенную на подложке сверхпроводящую пленку и размещенную на ней через слой изолятора структуру, управляющую критической температурой Те сверхпроводящей пленки, состоящую из двух слоев ферромагнитных (F) материалов, разделенных прослойкой неферромагнитного материала (US 6414870 B1, Johnson et al., 02.07.2002). Для реализации вентиля необходимо обеспечить в ферромагнитных пленках большие значения магнитных моментов по величине, такие чтобы созданное пленками магнитное поле могло существенным образом изменять характеристики сверхпроводниковой пленки. Соответственно, для управления протекающим током необходимо создавать большие магнитные поля перемагничивания, что является существенным недостатком данного решения.
С недавнего времени известны джозефсоновские переходы и спиновые вентили (RU 2343591, Карминская и др., 10.01.2009; RU 2439749, Карминская и др., 25.10.2010; RU 2442245, Карминская и др., 17.11.2010), в которых на подложке образована область слабой связи в виде многослойной тонкопленочной FNF-структуры, связанной определенным образом с электродами из сверхпроводника S. Слои ферромагнитного материала выполнены с возможностью разворота векторов намагниченности друг относительно друга в плоскости слоистой структуры из антиферромагнитного в ферромагнитное состояние. В таких магнитных джозефсоновских переходах/спиновых вентилях возможно более эффективное управление критическим током/критической температурой посредством внешнего магнитного поля за счет организации ряда независимых каналов токопереноса, однако характерное напряжение и, как следствие, характерная джозефсоновская частота здесь слишком малы для эффективного использования в качестве ячеек памяти.
1
2
1
2
1
2
Известен джозефсоновский вентиль на основе структур ферромагнетик-сверхпроводник-изолятор-ферромагнетик-сверхпроводник (FSF'SF) с использованием слабого ферромагнетика PdFe в качестве F'-слоя (US 20120302446 A3, Ryazanov et al., 26.01.2012). В таком вентиле можно ожидать возникновения триплетной компоненты сверхтока, слабо подавляемой обменным магнитным полем в гетерострукутре, причем критическим током такого устройства можно управлять, меняя взаимную ориентацию векторов намагниченности в слоях F и F. Недостатком такой структуры будет низкое характерное напряжение, а также малое изменение критического тока при изменении взаимной ориентации векторов намагниченности в слоях F и F.
N
C
C
N
0
Известна гетероструктура сверхпроводник-изолятор-ферромагнетик-сверхпроводник (SIFS) с использованием магнитно-мягких материалов (WO 2012103384, Ryazanov et al., 26.01.2011, ближайший аналог). Здесь приложение относительно малых полей позволяет заметно изменять величину критического тока перехода. Предложены и запатентованы ячейки памяти на основе такого магнитного джозефсоновского SIFS-перехода (US 0184445 A1, Mukhanov et al., 19.072012), а также системы памяти с произвольным доступом к ячейкам (US 8270209, Herr et al., 18.06.2012). Использование изолирующей прослойки увеличивает сопротивление джозефсоновского перехода R, однако расплатой за это является уменьшение критического тока I, и в результате характерная частота элемента ~ IR остается сравнительно небольшой (1…2 ГГц). Малые значения характерных частот существенно ограничивают возможности применения запатентованных SIFS структур в качестве элементов быстрой джозефсоновской памяти. Кроме того, для существенного изменения величины критического тока необходимо, чтобы в процессе «Записи» эффективный магнитный поток через область слабой связи джозефсоновской структуры был достаточно велик (близок к одному кванту магнитного потока Ф=h/2e, h - постоянная Планка, е - элементарный заряд), что мешает уменьшать геометрические размеры SIFS-перехода.
C
Патентуемое изобретение лишено указанных недостатков и позволяет переключение между состояниями с существенно различными значениями критического тока I джозефсоновской гетероструктуры (ДГС), обладающей высокой характерной частотой.
Высокочастотный сверхпроводящий элемент памяти, выполненный в планарной, торцевой или мостиковой геометрии, состоит из двух сверхпроводящих электродов и области слабой связи, включающей магнитные слои с непосредственной, туннельной или резонансной проводимостью и сверхпроводящий слой между ними.
Отличие от известных ранее джозефсоновских SFS структур состоит в том, что при изменении направления намагниченности одного из магнитных слоев в сверхпроводящей пленке, локализованной в области слабой связи между магнитными слоями, происходит существенное восстановление (подавление) сверхпроводимости в этой пленке, которое в том числе может сопровождаться и фазовым переходом из нормального состояния в сверхпроводящее или из сверхпроводящего в нормальное. Это приводит, соответственно, к образованию или разрушению вместо одного-двух последовательно соединенных джозефсоновских переходов, что сопровождается, соответственно, резким увеличением или уменьшением общего критического тока.
Прибор может характеризоваться тем, что в планарной геометрии слой сверхпроводника нанесен на подложку, а первый магнитный слой, промежуточный слой сверхпроводника, второй магнитный слой и второй слой сверхпроводника в указанной последовательности нанесены поверх него, при этом площади упомянутых слоев совпадают.
Прибор может характеризоваться тем, что в торцевой геометрии слой сверхпроводника и первый магнитный слои нанесены на подложку, а промежуточный слой сверхпроводника, второй магнитный слой и второй слой сверхпроводника в указанной последовательности нанесены поверх упомянутых слоев, при этом промежуточная пленка сверхпроводника, второй магнитный слой и второй слой сверхпроводника нанесены и на границу раздела первого слоя сверхпроводника и первого магнитного слоя.
Прибор может характеризоваться тем, что в мостиковой геометрии первый магнитный слой нанесен на подложку, а промежуточный слой сверхпроводника и второй магнитный слой нанесены поверх него, при этом площади упомянутых слоев совпадают. Поверх второго магнитного слоя нанесен слой сверхпроводника, в котором создан разрыв, заполненный изолятором.
Прибор может характеризоваться тем, что в мостиковой геометрии под первым слоем магнитного материала непосредственно на подложке может находиться вспомогательный слой антиферромагнетика.
Прибор может характеризоваться тем, что в мостиковой геометрии часть второго слоя магнитного материала, находящаяся непосредственно под сверхпроводящими электродами, заменена на изолятор или нормальный металл.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
Прибор может характеризоваться и тем, что в качестве сверхпроводника использован ниобий или сплав на его основе, в качестве нормального металла - элемент из группы Cu, Au, Al, Pt, а в качестве материала магнитного слоя использован магнитно-мягкий ферромагнетик, например сплавы PdFe, PdNi, PdCo, PtFe, PtNi, PtCo с содержанием ферромагнитных металлов менее 10 атомных процентов.
Прибор может характеризоваться и тем, что в качестве магнитных слоев используются слои диэлектрика, например аморфного кремния, легированные либо только магнитными атомами, Fe, Co, Ni, либо атомами магнитных и немагнитных, Nb, W металлов.
Прибор может характеризоваться и тем, что в качестве магнитных слоев используются слои магнитно-мягкого ферромагнетика и находящиеся непосредственно под ними слои диэлектрика.
Прибор может характеризоваться тем, что векторы намагниченности в магнитных слоях направлены параллельно плоскости слоев и могут быть развернуты внешним магнитным полем.
Технический результат изобретения состоит в увеличении изменения амплитуды критического тока перехода под действием малого магнитного потока по сравнению с предыдущими геометриями, что открывает возможности для миниатюризации сверхпроводящих элементов памяти. Дополнительный технический результат изобретения состоит в возможности обеспечить достаточно высокую характерную частоту джозефсоновской гетероструктуры, и, как следствие, достаточно высокое быстродействие элемента памяти на ее основе.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 представлена структура ДГС с двумя магнитными и одним промежуточным сверхпроводящим слоем между сверхпроводящими электродами в планарной топологии;
На фиг.2 изображена структура ДГС с двумя магнитными и одним промежуточным сверхпроводящим слоем между сверхпроводящими электродами в торцевой топологии;
На фиг.3 представлена структура ДГС, изготовленной в виде мостика переменной толщины с двумя магнитными слоями и одним промежуточным сверхпроводящим слоем;
На фиг.4 представлена структура ДГС, изготовленной в виде мостика переменной толщины с двумя магнитными слоями и одним промежуточным сверхпроводящим слоем, причем часть второго слоя магнитного материала, находящаяся непосредственно под сверхпроводящими электродами, заменена на изолятор или нормальный металл;
На фиг.5 приведены зависимости величины нормированных значений критических токов патентуемых структур от температуры для параллельных и антипараллельных намагниченностей магнитных слоев;
На фиг.6 показаны величины нормированных значений критических токов патентуемых структур как функции толщины промежуточного сверхпроводящего слоя.
F1
s
F2
Джозефсоновская гетероструктура для высокочастотного сверхпроводящего элемента памяти, выполненная в планарной геометрии (см. фиг.1), образована на подложке 1 и содержит многослойную тонкопленочную структуру, состоящую из первого сверхпроводящего слоя электрода S 21; первого слоя 31 магнитного материала IF толщиной d, промежуточного слоя 4 из сверхпроводящего материала s толщиной d; второго слоя 32 магнитного материала IF толщиной d; второго сверхпроводящего электрода S 22 с токоподводами 51 и 52 для подключения области слабой связи к источнику тока.
Джозефсоновская гетероструктура для высокочастотного сверхпроводящего элемента памяти, выполненная в торцевой геометрии (см. фиг.2), образована на подложке 1 и содержит многослойную тонкопленочную структуру, состоящую из первого сверхпроводящего слоя электрода S 21; первого слоя 31 магнитного материала IF; промежуточного слоя 4 из сверхпроводящего материала s; второго слоя 32 магнитного материала IF; второго сверхпроводящего электрода S 22 с токоподводами 51 и 52 для подключения области слабой связи к источнику тока.
F1
s
F2
Джозефсоновская гетероструктура для высокочастотного сверхпроводящего элемента памяти, выполненная в мостиковой геометрии (см. фиг.3), образована на подложке 1 и содержит многослойную тонкопленочную структуру, состоящую из первого слоя 31 магнитного материала IF толщиной d; промежуточного слоя 4 из сверхпроводящего материала s толщиной d, второго слоя 32 магнитного материала IF толщиной d, и двух 21 и 22 сверхпроводящих электродов S с токоподводами 51 и 52 для подключения области слабой связи к источнику тока.
F1
s
F2
Джозефсоновская гетероструктура для высокочастотного сверхпроводящего элемента памяти, выполненная в мостиковой геометрии (см. фиг.4), образована на подложке 1 и содержит многослойную тонкопленочную структуру, состоящую из первого слоя 31 ферромагнитного материала IF толщиной d, промежуточного слоя 4 из сверхпроводящего материала s толщиной d, второго слоя 32 ферромагнитного материала IF толщиной d, причем часть второго слоя магнитного материала, находящаяся непосредственно под сверхпроводящими электродами, заменена на изолятор или нормальный металл 6; и двух 21 и 22 сверхпроводящих электродов S с токоподводами 51 и 52 для подключения области слабой связи к источнику тока.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
Толщины слоев 31 и 32 ферромагнитного материала (PdFe, PdNi, PdCo, PtFe, PtNi, PtCo) и промежуточного сверхпроводящего слоя 4, составляют 1-100 нм. В качестве материала для сверхпроводящих электродов 21 и 22 и промежуточного слоя 4 могут быть использованы такие материалы, как ниобий, нитрид ниобия, ванадий, индий, олово, свинец и сплавы на их основе.
На фиг.4 изображены зависимости величины нормированных значений критических токов патентуемых структур от температуры, нормированной на критическую температуру используемых сверхпроводящих материалов. Сплошной линией представлена температурная зависимость нормированного критического тока для случая, когда обменная энергия в обоих слоях ферромагнетика (или магнитного изолятора) пренебрежимо мала. Штриховой линией - для случая, когда обменная энергия в обоих слоях ферромагнетика (или магнитного изолятора) равна по величине и отлична от нуля, причем векторы намагниченности, лежащие в плоскости магнитных слоев, параллельны. Штрихпунктирной - для случая, когда обменная энергия в обоих слоях ферромагнетика (или магнитного изолятора) равна по величине и отлична от нуля, а векторы намагниченности, лежащие в плоскости магнитных слоев, антипараллельны.
На фиг.5 приведены величины нормированных значений критических токов патентуемых структур как функции толщины промежуточного сверхпроводящего слоя, нормированной на длину когерентности в используемом сверхпроводнике. Сплошной линией представлена температурная зависимость нормированного критического тока для случая, когда обменная энергия в обоих слоях ферромагнетика (или магнитного изолятора) пренебрежимо мала. Штриховой линией - для случая, когда обменная энергия в обоих слоях ферромагнетика (или магнитного изолятора) равна по величине и отлична от нуля, причем векторы намагниченности, лежащие в плоскости магнитных слоев, параллельны. Штрихпунктирной - для случая, когда обменная энергия в обоих слоях ферромагнетика (или магнитного изолятора) равна по величине и отлична от нуля, а векторы намагниченности, лежащие в плоскости магнитных слоев, антипараллельны.
Из приведенных данных видно, что изобретение позволяет достичь существенного изменения величины критического тока ДГС при изменении взаимной ориентации векторов намагниченности двух используемых магнитных слоев. Это позволяет использовать патентуемую структуру как элемент высокочастотной сверхпроводящей памяти.
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x
2
2
3
7-х
Технологическая применимость: для реализации патентуемого устройства могут быть использованы материалы, применяемые в криоэлектронной технике и известные специалистам. В качестве подложки 1 могут быть использованы любые стандартные подложки (кремний, сапфир и пр.) или слой любого антиферроманитного материала. В качестве магнитных слоев 31 и 32 - магнитно-мягкие сплавы на основе ферромагнетиков Ni, Co, Fe: PtFe, PtNi, PtCo, PdFe, PdNi, PdCo, CuNi, NdNi; в качестве магнитных слоев могут использоваться также диэлектрики, например аморфный кремний, легированные магнитными атомами, Fe, Co, Ni. В качестве материала для сверхпроводящих электродов 21 и 22 - ниобий, нитрид ниобия, ванадий, индий, олово, свинец либо MgB и соединения на его основе, либо высокотемпературные сверхпроводники на основе редкоземельных купратов общей формулы ReBaCuO; где Re - редкоземельный металл, или других оксидов (см., например, US 6011981, Alvarez et al., 04.01.2000), для которых известна технология нанесения слоев на подложки. Типичные толщины слоев магнитного материала и нормального металла для патентуемой топологии составляют 1-100 нм и находятся в диапазоне технологически осуществимых для тонкопленочной электроники.