способ изготовления сверхпроводникового прибора

Формула изобретения

Способ изготовления сверхпроводникового прибора, включающий формирование джозефсоновского перехода в высокотемпературной пленке на монокристаллической подложке MgO при помощи атомно-силового микроскопа, отличающийся тем, что материалом текстурированной высокотемпературной сверхпроводниковой пленки является (Bi, Pb) ₂Sr₂Ca₂Cu ₃O₁₀, на которой методом фотолитографии изготавливается дорожка, поперек которой протаскивают зонд атомно-силового микроскопа, формируя область переменной толщины для создания джозефсоновского перехода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронным устройствам, использующим высокочувствительные системы на базе пленочных высокотемпературных СКВИДов. Предложен способ создания одиночного джозефсоновского перехода в пленочной системе высокотемпературного сверхпроводника Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Известен способ изготовления высокотемпературного сверхпроводникового перехода на основе системы Bi-Sr-Ca-Cu-O [1]. На подложке создается сверхпроводниковый слой висмутовой системы, на котором изготавливается базовый электрод из того же материала. Поверх базового электрода наносится барьерный слой, в качестве которого используется Bi₂Sr ₂CuO_x. Далее на барьерный слой наносится верхний электрод из того же материала, что и базовый. К верхнему электроду изготавливается контакт и разделяющий слой для отделения контактного электрода от базового электрода. Полученная этим способом структура является многослойной. Изготовление многослойных структур сопряжено со значительными технологическими трудностями. Необходимо использовать материалы с одинаковыми постоянными решетки, необходима межслойная изоляция.

Известен способ формирования пленочного микромостика, включающий нанесение пленки ВТСП-материала и формирование путем фотолитографии дорожки со слабой связью, сверхпроводимость в области слабой связи дополнительно подавляют облучением дорожки сфокусированным электронным лучом [2]. В результате, поперек дорожки формируется узкая, шириной 0,8-1 мкм, область с подавленной сверхпроводимостью. Недостатком данного способа является то, что размер активной зоны велик. Устойчивые и воспроизводимые технические характеристики в подобных устройствах достигаются при размерах активной зоны менее 100 нм.

Известен способ изготовления сверхпроводникового туннельного перехода [3]. В качестве барьерного слоя используются Bi₂ Sr₂(Ca_0.6Y _0.4)Cu₂O₈, Bi₂Sr₂Cu ₂O₆ и Bi₂Sr ₂CaCu₂O₈. В качестве сверхпроводниковых электродов используются YSr ₂Cu_2.7Re_0.3 O₇, Sr₂CaCu ₂O₆ и (La_0.9 Sr_0.1)₂CuO ₄. Переход осуществлен в направлении с - оси. Полученная по этому способу сверхпроводниковая структура является многослойной, что в свою очередь делает трудоемким и дорогостоящим технологический процесс изготовления. Ухудшается воспроизводимость параметров структур.

Прототипом данного изобретения является способ создания сверхпроводникового прибора на основе YBA ₂С₃O_7-х (YBCO) [4]. На подложку MgO наносится YBCO пленка. По краям пленки формируются контактные электроды. Зонд атомно-силового микроскопа помещается между сформированных электродов. Для того чтобы создать локальный несверхпроводящий участок в пленке, между зондом и электродами прикладывается электрическое поле. В результате, в месте контакта пленки и зонда микроскопа формируется участок со слабой связью. Процесс происходит в атмосфере, содержащей влагу и пары СО ₂. При приложения напряжения между зондом микроскопа и пленки в месте их контакта происходит электромеханическая реакция ионов Ва, находящихся на поверхности, с парами воды и СО ₂. На поверхности пленки локально формируется ВаСО ₃. Ионы Ва, находящиеся в объеме, также проникают к поверхности вследствие диффузии, вызванной приложением электрического поля, где происходит их реакция с парами воды и углекислого газа. В результате образуется локальный несверхпроводящий участок.

Хотя приведенный выше способ позволяет отказаться от сложной многослойной технологии, требующей межслойной изоляции и сопряженной со значительными технологическими трудностями, увеличивающими разброс параметров получаемых структур, но в данном изобретении используются материал YBCO, обладающий критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние Т_C =90К. Кроме того, этот материал подвержен быстрой деградации полезных сверхпроводящих параметров при контакте с влажной средой и металлами. Приборы - СКВИДы на основе этого материала недолговечны в эксплуатации. По этой причине использование таких СКВИДов в различных устройствах (магнитометры, эталоны напряжения, высокочастотные фильтры, резонаторы и т.д.) требует больших материальных затрат.

Целью данного изобретения является улучшение полезных параметров сверхпроводниковых приборов, улучшение их эксплуатационных характеристик и надежности.

Предложенный способ создания сверхпроводникового прибора позволяет решить эту техническую задачу. На высокотемпературной пленке методом фотолитографии создается узкая дорожка, на которой при помощи атомно-силового микроскопа путем протаскивания зонда микроскопа поперек дорожки формируется участок переменной толщины - джозефсоновский переход.

В сверхпроводниковом приборе использовались пленки высокотемпературного сверхпроводника состава Bi-Sr-Ca-Cu-O, который является представителем группы технологичных материалов с температурой перехода в сверхпроводящее состояние большей, чем температура дешевого, нетоксичного и доступного жидкого азота (77 К). Этот материал имеет ряд преимуществ по отношению к другим высокотемпературным сверхпроводникам. Он имеет высокую критическую температуру Тс˜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 поликристаллическую структуру.

Пленки были получены по трехстадийной схеме. На первой стадии осуществлялось подготовка поверхности подложек MgO. Материал подложек очень гигроскопичен и на открытом воздухе быстро адсорбирует на поверхность молекулы воды, которые искажают кристаллическую структуру получаемых на поверхности подложек ВТСП пленок. Для удаления воды и получения качественной кристаллической структуры поверхности использовался высокотемпературный отжиг.

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

На третьей стадии для получения требуемой кристаллографической структуры проводился отжиг пленок при температуре 850-860°С в течение нескольких десятков часов. Толщина полученных пленок лежала в диапазоне до 100 нм. Размер подложек 14×14 мм ². В зависимости от времени отжига пленки содержали разные высокотемпературные фазы 2212 и 2223 с критическими температурами перехода в сверхпроводящее состояние 80К и 110К соответственно.

Для устойчивой работы прибора необходимо создание слабой одиночной связи с контролируемыми воспроизводимыми параметрами. Путем варьирования параметров отжига получены структуры с плотностью критического тока между зернами ВТСП материала I_C>5·10 ³ A/см². Такие параметры критических токов необходимы для создания одиночной слабой связи искусственно со значениями критического тока, меньшими критического тока слабых связей зерен сверхпроводника.

В приборе использовались пленки толщиной до 100 нм, имеющие высокую степень текстурированности и с критической температурой около 110К. На пленках методом фотолитографии формировались структуры, ширина дорожек выбиралась такой, чтобы она была меньше размеров зерен данного материала и не превышала хода зонда атомно-силового микроскопа. На краях структуры изготавливались серебряные омические контакты.

На фиг.1 представлена структура, полученная при помощи фотолитографии, где 1 - монокристаллическая подложка MgO, 2 - ВТСП пленка состава Bi(Pb)₂ Sr₂Ca₂Cu ₃O₁₀, 3 - зонд атомно-силового микроскопа.

На фиг.2 представлена структура, полученная в результате протаскивания зонда атомно-силового микроскопа поперек мостика.

На фиг.3а и фиг.3б показаны вольт-амперные характеристики структур. Вольт-амперная характеристика на фиг.3б получена при воздействии на структуру внешнего электромагнитного излучения частотой 10 ГГц.

Для создания слабой связи использовался атомно-силовой микроскоп. Формирование перехода осуществлялось механическим перерезыванием дорожки зондом следующим образом. Зонд микроскопа подводился к краю дорожки, как показано на фиг.1, прижимался к поверхности подложки и протягивался поперек дорожки примерно посередине. В результате получалась структура, изображенная на фиг.2. Формирование канавки осуществлялось за один проход зонда атомно-силового микроскопа из-за того, что практически невозможно точно повторить предыдущий проход зонда.

Пример конкретного выполнения устройства:

- подложки и MgO ориентации <001>, размер 14×14 мм;

- отжиг подложек при температуре 1500°С в течение 10 мин;

- напыление пленок состава Bi(Pb) ₂Sr₂Ca₂Cu ₃O₁₀ толщиной 80 нм;

- отжиг пленок в печи при температуре 860°С в течение 40 часов;

- формирование мостиков шириной 1 мкм при помощи метода фотолитографии

- формирование слабой связи при помощи атомно-силового микроскопа с радиусом заострения 10 нм и углом расхождения граней зонда 10°;

В результате был получен джозефсоновский переход - структура в виде дорожки переменной толщины, глубина канавки составила 40 нм, ширина верхней части - 30 нм. На Фиг.3а и Фиг.3б изображены вольт-амперные характеристики, продемонстрированные полученной структурой.

Предложенный метод позволяет устойчиво получать высокочувствительные СКВИД приборы, обладающие высокой критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние и имеющие надежные эксплуатационные параметры.

Источники информации

1. Патент США №5480859 от 2.01.1996, H01L 39/22.

2. Патент РФ №2080693 от 27.05.1997, H01L 39/22.

3. Патент США №5885937 от 23.03.1999, H01L 39/22.

4. Патент США №6388268 от 14.05.2002, H01L 29/06 - прототип.