СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВА С СУБМИКРОННЫМ ДЖОЗЕФСОНОВСКИМ π-КОНТАКТОМ
METHOD OF MAKING DEVICE WITH SUBMICRON JOSEPHSON π-CONTACT

Изобретение относится к технологии микроэлектроники, к криоэлектронным приборам и может быть использовано в измерительной технике, радиотехнических и информационных системах, работающих при низких температурах и при создании квантового компьютера.
Известно, что если в область слабой связи джозефсоновского СНС (сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник) или СИС (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник) контакта поместить дополнительный слой ферромагнетика определенной толщины, то сверхпроводящая волновая функция одного берега СФС контакта будет проникать в противоположный сверхпроводящий берег с набегом фазы π. Т.е. установится постоянный набег фазы сверхтока π [V.V. Ryazanov, V.А. Oboznov, A.Y. Rusanov, А.V. Veretennikov, A.A. Golubov, and J. Aarts, Phys. Rev. Lett. 86, 2427 (2001), A.A. Bannykh, J. Pfeiffer, V.S. Stolyarov, I.E. Batov, V.V. Ryazanov, and M. Weides, Phys. Rev. В 79, 054501 (2009)]. Недостатком такого рода систем для современной сверхпроводящей электроники является сложность изготовления субмикронных структур такого типа классическими методами вакуумного напыления и электронной литографии (в виде сэндвичевых и планарных конфигураций).
Известны различные способы изготовления субмикронных джозефсоновских структур, в основе которых лежат технологии послойного напыления тонких пленок сверхпроводников, барьеров и функциональных слоев на диэлектрическую подложку и формирования их топологии методами плазменного или химического травления и электронно-лучевой или фотолитографии. Структуры джозефсона, в свою очередь, разделяются на два основных типа: сэндвичевые и планарные, что обусловлено способами их изготовления.
Так, в JP 3190175, YUZURIHARA et al., 20.08.1991 описан способ изготовления джозефсоновского устройства, представляющего 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.
2
3
7-x
Так, в US 6541789, Sato, et al., 01.04.2003 описан способ изготовления джозефсоновских переходов, образованных из двух сверхпроводников, разделенных изолятором и нанесенных на монокристаллическую диэлектрическую подложку: в качестве сверхпроводника использовался YBaCuO (YBCO), один из которых - нижний - размещен непосредственно на подложке.
Так, в US 6995390, Tsukui, 07.02.2006 описан способ изготовления джозефсоновских переходов, предназначенный для управления потоком электронов, имеющий многослойную структуру «сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник» и не использующий диэлектрические барьерные слои
Так, в US 6344659, Ivanov et al., 05.02.2002 описан ближайший аналог, предназначенный для управления критическим током пятислойных двухбарьерных джозефсоновских переходов, в которых расположенный внутри барьеров материал содержит ферромагнитную пленку. Ее назначение состоит в обеспечении зеемановского расщепления резонансных уровней электронов во внутрибарьерной области с целью осуществления контроля величины критического тока структуры посредством управления положением расщепленных уровней относительно энергии Ферми электродов напряжением, приложенным к дополнительным управляющим контактам структуры.
Так, в RU 2504049 С2 Гудков А.Л. и др. 17.04.2012 описан прибор и способ изготовления, позволяющий создавать послойные джозефсоновские структуры с туннельным и нормальным барьерами.
x
Так, в US 6734454 (В2), Van Duzer, et al., 11.05.2004 описан сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом на основе многослойной тонкопленочной структуры SNS (сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник), состоящий из нижнего сверхпроводящего электрода S на основе соединения Nb, прослойки из нитрида тантала (TaN) и верхнего электрода S также на основе соединения Nb.
N
с
с
N
с
N
Недостаток этого прибора состоит в том, что слабая связь локализована в области нормальной (N) металлической прослойки, причем такой N металл должен одновременно удовлетворять двум взаимно противоречивым требованиям. С одной стороны, для обеспечения больших плотностей критического тока при технологически разумной толщине прослойки он должен обладать большой эффективной длиной когерентности ξ, т.е. быть низкоомным. С другой стороны, для предотвращения существенного подавления сверхпроводимости в S электродах, его транспортные свойства обязаны быть существенно хуже по сравнению с аналогичными параметрами сверхпроводников (М.Ю. Куприянов, А.А. Голубов, ЖЭТФ, Т. 96, вып. 4, 1420, 1989), т.е. материал прослойки должен быть высокоомным по отношению к материалу электродов. Имеет место значительное подавление сверхпроводимости в электродах, в результате чего характерное напряжение перехода (V=IR, где I - критический ток перехода, a R - нормальное сопротивление) остается низким, и его высокочастотные свойства в силу соотношения Джозефсона остаются неудовлетворительными.
x
Так, из ЕР 1365456 (А2), YAMAMORI HIROTAKE et al., 26.11.2003 известен прибор и способ его приготовления на основе многослойной тонкопленочной структуры сверхпроводник - нормальный металл сверхпроводник, включающий формирование нижнего сверхпроводящего электрода на основе соединения Nb, прослойки из несверхпроводящей фазы нитрида ниобия (NbN) и верхнего электрода также на основе соединения Nb. Технологическим преимуществом данного способа является использование лишь одного источника распыления для формирования всей джозефсоновской структуры. Однако главным недостатком данного способа остается металлическая прослойка и соответственно получение СПД SNS типа со всеми вытекающими недостатками.
Известны и другие аналоги сверхпроводящих приборов с использованием более высокоомных прослоек на основе металлических сплавов, например сплавы PdAu, TiN. В результате чего во всех перечисленных структурах получались контакты SNS типа, в которых транспорт тока осуществлялся путем непосредственного протекания тока через прослойку с чисто металлической проводимостью. В таких переходах, как правило, величина характерного напряжения не превышала десятков микровольт, что соответствовало рабочим частотам до 20 ГГц. Для большинства практических применений требуются джозефсоновские контакты с характерным напряжением сотни микровольт и рабочими частотами в диапазоне 20-200 ГГц и выше. Так, например, для метрологических применений рабочие частоты должны находиться в диапазонах 70 ГГц и 90 ГГц.
Так, в патенте РФ №97567 Рязанов и др. 30.03.2010 описан ближайший аналог. Полезная модель изготовлена послойным (сэндвичевым) методом. Было продемонстрировано работоспособное устройство сдвига сверхпроводящей фазы, которое состоит из двух сверхпроводящих электродов и фазосдвигающего элемента с одним тонкопленочным фазосдвигающим слоем из ферромагнетика с перпендикулярной магнитной анизотропией и усредненной мелкодоменной магнитной структурой с нулевой средней намагниченностью, при этом фазосдвигающий слой был расположен между сверхпроводящими электродами в единой трехслойной структуре. Техническое решение определяет реализацию устройства сдвига сверхпроводящей фазы с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками, а именно: обеспечивает сдвиг сверхпроводящей фазы точно на π.
Так, в патентах RU 2373610 С1 и РФ №2439749 (Карминская и др.,) 02.07.2008 г. и 25.10.2010 г. описан сверхпроводящий прибор Джозефсона (СПД), изготовленный наиболее близким "планарно-сендвичевым" способом и наиболее близкой топологии: (RU 2373610 С1) -  Планарно выполненный сверхпроводящий прибор включает в себя область слабой связи в виде тонкопленочной слоистой структуры «FNF», образованной на подложке, и электроды из сверхпроводника S, присоединенные к противолежащим боковым граням слоистой структуры. Слои F выполнены с возможностью разворота указанных направлений намагниченности друг относительно друга с обеспечением генерации триплетного типа сверхпроводящего спаривания в области слабой связи. Указанное позволяет управлять критическим током СПД посредством внешнего магнитного поля за счет организации ряда независимых каналов его протекания, а также вследствие обеспечения условий для генерации слабозатухающего в области слабой связи триплетного типа сверхпроводящего спаривания. (РФ №2439749) - Планарно выполненный сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом включает образованную на подложке область слабой связи в виде тонкопленочной слоистой структуры, содержащей слои ферромагнитного материала и нормального металла, и два электрода из сверхпроводникового материала с токоподводами для подключения области слабой связи к источнику тока и представляет собой планарную структуру, в которой электроды из сверхпроводникового материала с токоподводами размещены поверх слоя нормального металла с возможностью наведения сверхпроводящих корреляций из области нормального металла под электродом в область слабой связи, при этом слой ферромагнитного материала присоединен к нормальному металлу с возможностью наведения в нем сверхпроводящих корреляций непосредственно из слоя нормального металла.
Наиболее близким техническим решением к изобретению являются структуры, выполненные методами электронной литографии и теневого напыления в виде планарных джозефсоновских мостиков с двухслойной слабой связью нормальный металл/ферромагнетик (Т.Е. Golikova, F. Hübler, D. Beckmann, I.E. Batov, T.Yu Karminskaya, M.Yu Kupriyanov, A.A. Golubov, and V.V. Ryazanov. Physical Review В 86: 064416-1-064416-5, 2012). Недостатками такого контакта являются сложность использования в промышленных масштабах и воспроизводимость параметров.
Известные ближайшие аналоги РФ №97567 30.03.2010, RU 2373610 С1, РФ №2439749 имеют ряд существенных недостатков.
N
Например, недостатками устройства (РФ №97567) является проблематичность изготовления субмикронных в X и Y направлениях (соответствуют плоскости ферромагнитного слоя) размеров структуры, из-за сложности изготовления изолятора между нижним и верхним электродами. Также, недостатком таких устройств является низкое нормальное сопротивление прослойки R ферромагнетика из-за больших латеральных размеров и малой толщины ферромагнитного слоя, что приводит к необходимости использования СКВИД пиковольтметра для фиксации перехода структуры в резистивное состояние. Это также накладывает ограничение на быстродействие контактов Джозефсона в случае использование их в качестве инвертеров фазы в RSFQ устройствах.
Например, в устройствах RU 2373610 С1 и РФ №2439749, изготавливаемых способом теневого напыления в планарной топологии, не получается достичь существенно больших значений критического тока в силу аморфной структуры напыляемых пленок, что и не приводит к возникновению единичного 0-pi перехода с изменением длины области инжектирования куперовских пар. Также следует отметить, что многослойный участок слабой связи СПД имеет переменный состав в направлении нормали к поверхности подложки. Такой способ формирования слоев не гарантирует возможность изготовления большого числа идентичных объектов на чипе за один технологический цикл. Так как каждая следующая структура будет напыляться под немного отличающимися углами теневого напыления.
с
с
N
с
N
Задачей изобретения является разработка способа изготовления устройства с субмикронным джозефсоновским π-контактом на единичном нанопроводе, позволяющего достичь более высоких значений электрофизических параметров (V=IR, где I - критический ток перехода, а R - нормальное сопротивление) инвертеров фазы сверхпроводящей волновой функции с высокой степенью воспроизводимости. Использование полученных таким способом устройств с джозефсоновским π-контактом в качестве инвертеров фазы в RSFQ (устройства быстрой одноквантовой логики) логических элементах позволит уменьшить размеры сверхпроводящих потоковых кубитов до субмикронных, а следовательно, позволит увеличить плотность логических элементов на единицу площади.
N
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления устройства с субмикронным джозефсоновским π-контактом, заключающемся в том, что в качестве слабой связи джозефсоновского перехода используют единичный нанопровод, сформированный из последовательно чередующихся магнитных и немагнитных участков таким образом, что магнитный участок имеет субмикронные размеры во всех направлениях X, Y, Z, где Z - направлен вдоль нанопровода, а немагнитные участки выполнены из сверхпроводящего материала или из нормального металла с большими длинами когерентности ξ, который помещают горизонтально на подложку и подводят к немагнитным участкам сверхпроводящие контакты.
Способ может характеризоваться тем, что используют единичный нанопровод, магнитные и немагнитные участки которого выращены в виде монокристаллов, что делает возможным реализацию баллистических режимов транспорта токов через слабую связь.
Способ может характеризоваться тем, что размеры магнитного участка нанопровода в направлениях X, Y определяются диаметром нанопровода, а в направлении Z - длиной магнитного участка.
Способ может характеризоваться тем, что длина магнитного участка нанопровода имеет размер, соответствующий длине, на которой наведенная сверхпроводящая волновая функция меняет свою фазу на π.
Способ может характеризоваться тем, что магнитные участки нанопровода выполнены из ферромагнетика, выбранного из ряда Ni, Со, Fe или соединения на основе указанных ферромагнетиков, температура Кюри которых значительно ниже комнатной температуры, например, CuNi, PdFe, PdNi и другие.
Способ может характеризоваться тем, что в качестве сверхпроводящего материала используют металл, выбранный из ряда Nb, Al, Pb, In.
Способ может характеризоваться тем, что нормальный металл выбран из ряда Cu, au, Ag, Al.
N
Способ может характеризоваться тем, что сверхпроводимость в немагнитных участках, выполненных из нормального металла с большими длинами когерентности ξ, наводится за счет эффекта близости со сверхпроводящим контактом.
Способ может характеризоваться тем, что сверхпроводящий контакт выполнен из Nb пленки.
Способ может характеризоваться тем, что устройство выполнено с возможностью включения в электрическую схему сверхпроводникового вычислительного устройства, выполненного на основе ниобиевой тонкопленочной технологии.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематически представлено 3D изображение трех СФС π-контактов Джозефсона на единичном нанопроводе, полученных предлагаемым способом, где S - сверхпроводящие тонкопленочные контакты, например Nb, Al, Та, Pb, In и др., находящиеся в хорошем металлическом контакте с нанопроводом; N - неферромагнитный участок нанопровода с большой длиной когерентности сверхпроводящей волновой функции, наведенной от S контакта, например медь золото, палладий и. д.р. либо сверхпроводник; F - тонкий слой ферромагнетика, толщина которого соответствует толщине 0-π - перехода, например Ni, Со, Fe, или сплавы CuNi, PdFe, PdNi и др.
На фиг. 2 показана диаграмма распределения волновых функций при прохождении сверхтока через слабую связь для СФС π-контакта Nb/Cu-Cu(100 нм)-Ni(3.5)-Cu(100 нм)-Nb/Cu.
Заявляемый способ изготовления устройства с субмикронным джозефсоновским π-контактом осуществляют следующим образом.
N
В качестве слабой связи джозефсоновского перехода используют единичный нанопровод, сформированный из последовательно чередующихся магнитных и немагнитных участков таким образом, что магнитный участок имеет субмикронные размеры во всех направлениях X, Y, Z, где Z - направлен вдоль нанопровода, а немагнитные участки выполнены из сверхпроводящего материала или из нормального металла с большими длинами когерентности ξ. Указанный нанопровод может быть сформирован с использованием известных технологий, например, методом темплатного осаждения сквозь нанопористую мембрану из электролитов, содержащих ионы ферромагнетика и нормального металла, либо CVD методом. Меняя контролируемым образом электролит и/или параметры осаждения, можно получить так называемый "полосатый" нанопровод из различных материалов, в частности, нормальный металл - ферромагнетик - нормальный металл - ферромагнетик - … и.т.д. (фиг. 1), который затем помещают горизонтально на подложку и подводят к немагнитным участкам сверхпроводящие контакты, выполненные, например из Nb пленки.
N
с
В качестве слабой связи между ниобиевыми берегами субмикронного джозефсоновского контакта использовали полосатый нанопровод диаметром 100 нм, чередующийся участками Cu-Ni-Cu, т.е. структура имеет вид Nb/Cu-Cu-Ni-Cu-/NbCu (фиг. 2). Т.о., при условии, что длины участков нанопровода будут: Cu(200 nm)-Ni(3-4 nm)-Cu(200 nm), а расстояние между сверхпроводящими контактами Nb примерно 200 нм, то R такого провода будет около 0.5Ω, а значение критического тока Iпорядка 200 µА. Тогда, характеристическое напряжение составит 10 µВ, что соответствует частоте протекания джозефсоновского тока в 700 МГц. При использовании более высокоомных материалов, либо уменьшении расстояния между контактами ниобия, увеличивая тем самым значения критических токов до нескольких мА, характерная частота может достигать десятков ГГц.
c
c
c
Использование в предлагаемом способе единичных нанопроводов в качестве слабой связи повышает V по сравнению с сэндвичевыми - микронными в X, Y направлениях СНС и СФС структурах, при этом привычный сэндвичевый (послойный) π-контакт может быть создан в "планарно-сэндвичевой" топологии, иллюстрируемой фиг. 1, что позволяет изготовить его с субмикронными размерами, как по толщине ферромагнитного слоя (направление-Z), так и в латеральных направлениях X и Y, а следовательно, с высокими значениями V. Для этого используется многослойный нанопровод с чередующимися слоями: нормальный металл/ферромагнетик/нормальный металл/ферромагнетик/… и.т.д. При этом диаметр нанопровода будет определять латеральные размеры ферромагнитной прослойки и может варьироваться от 30 до 300 нм, а толщина ферромагнитного слоя должна соответствовать толщине, при которой наведенная от сверхпроводника в силу эффекта близости волновая функция получит набег фазы π. В предлагаемом способе отсутствует необходимость создавать изоляционные слои между сверхпроводящими электродами в области слабой связи джозефсоновского контакта. Способ позволяет увеличить характеристическое напряжение V π-контакта как минимум до нескольких сотен микровольт; позволяет использовать большой спектр магнитных материалов, как сильных ферромагнетиков Ni, Со, Fe, так и слабых, разбавленных соединений на их основе, например CuNi, PdFe, PdNi и других, температура Кюри которых значительно ниже комнатной температуры.
Способ характеризуется тем, что немагнитные участки нанопровода могут быть выполнены как из сверхпроводящих металлов: Nb, Al, Pb, In и др., так и из нормальных металлов Cu, Au, Ag, Al и др., при этом сверхпроводимость в указанных участках будет наводиться искусственно, путем приведения их в хороший металлический контакт со сверхпроводящими контактами, напыляемыми для проведения измерений или подключения источника тока, после того, как нанопровод будет помещен на подложку.
Кроме задачи инвертирования фазы сверхпроводящей волновой функции, можно также использовать магнитные участки нанопровода в качестве чувствительных элементов к магнитному полю, и тем самым управлять величиной критического тока структуры. Либо при использовании материалов с большим спин орбитальным взаимодействием (например, Bi и др.) получить в участке джозефсоновской связи эффект размерного квантования. Образовавшимися в таком случае каналами проводимости можно управлять при помощи внешнего электрического поля.
Таким образом, предложен достаточно простой и экономичный способ, обеспечивающий низкую себестоимость изготовления в промышленных масштабах устройств с субмикронным джозефсоновским π-контактом с высокой степенью воспроизводимости параметров.