RU2051445C1

RU2051445C1 - Superconductor current amplifier using josephson effect

Info

Publication number: RU2051445C1
Authority: RU
Inventors: А.В. Никулов
Original assignee: Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1992-04-03
Publication date: 1995-12-27

Abstract

FIELD: superconductor electronics. SUBSTANCE: amplifier has long sandwich Josephson-structure gate incorporating first electrode, thin insulator layer, semiconductor or normal metal (weak bonding region), second electrode, and additional Josephson-junction gate formed by second electrode, additional thin insulator layer, semiconductor or normal metal (weak bonding region), and third superconducting electrode, all arranged in tandem on substrate. Superconducting leads passing input current are connected to narrow edges of second electrode, superconducting leads passing output current are connected to wide sides of first and third electrodes. Dimensions of Josephson-junction gates that build up current amplifier are almost or absolutely similar. Their length is greater and width is smaller than their Josephson penetration depth. Second electrode width is almost or absolutely equal to Josephson junction width; length of first and third electrodes is almost or absolutely equal to that of Josephson-junctions. Thickness of superconducting layers forming amplifier is smaller or almost equal to their London penetration depth. Amplifier affords current gain proportional to square ratio of length and penetration depth of its Josephson gates and is as high as 10. EFFECT: enlarged functional capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к сверхпроводниковой электронике и может быть использовано в сверхпроводниковых интегральных схемах, в качестве усилителей в сверхпроводящих квантовых измерителях магнитного потока (СКИМП) и для создания СКИМПов. The invention relates to superconducting electronics and can be used in superconducting integrated circuits, as amplifiers in superconducting quantum magnetic flux meters (SKIMP) and for creating SKIMPs.

При создании цифровых интегральных схем, а также аналоговых приборов на основе эффекта Джозефсона применяются устройства, в которых величина критического тока через один или несколько переходов Джозефсона управляется входным током. When creating digital integrated circuits, as well as analog devices based on the Josephson effect, devices are used in which the critical current through one or more Josephson junctions is controlled by the input current.

Известен сверхпроводниковый усилитель тока, содержащий сверхпроводниковый интерферометр, индуктивно связанный со сверхпроводящей катушкой, имеющей большую по отношению к нему индуктивность [1] Коэффициент усиления по току, т.е. отношение изменения критического тока интерферометра к вызвавшему его изменению входного тока сверхпроводящей катушки, при оптимальных параметрах близко к корню квадратному из отношения индуктивностей катушки и интерферометра. A superconducting current amplifier is known, comprising a superconducting interferometer inductively coupled to a superconducting coil having a large inductance with respect to it [1] Current gain, i.e. the ratio of the change in the critical current of the interferometer to the change in the input current of the superconducting coil that caused it, at optimal parameters, is close to the square root of the ratio of the inductances of the coil and interferometer.

Недостатком данного устройства для применения в микроэлектронике является относительно большая площадь, им занимаемая. The disadvantage of this device for use in microelectronics is the relatively large area it occupies.

Известен принимаемый за прототип [2] сверхпроводниковый усилитель тока на основе эффекта Джозефсона, включающий длинный, т.е. длиной L, большей, и шириной w, меньшей джозефсоновской глубины проникновения магнитного поля λ_j, элемент Джозефсона с сэндвичной структурой, содержащий сверхпроводящий слой, служащий базовым электродом, сверхпроводящий слой, служащий противоэлектродом, и расположенную между ними зону слабого связывания, сверхпроводниковые выводы для подачи выходного тока, подведенные к широким сторонам базового электрода и противоэлектрода, и сверхпроводниковый вывод для подачи входного тока, подведенный к узкой стороне базового электрода, причем длины базового электрода и противоэлектрода равны или близки к длине зоны слабого связывания, а их толщина меньше или ближе к величине лондоновской глубины проникновения магнитного поля.Known for the prototype [2] is a superconductor current amplifier based on the Josephson effect, including a long, i.e. a length L greater and a width w less than the Josephson penetration depth of the magnetic field λ _j , a Josephson element with a sandwich structure, comprising a superconducting layer serving as a base electrode, a superconducting layer serving as a counter electrode, and a weak binding zone between them, superconducting leads for supplying output current supplied to the wide sides of the base electrode and the counter electrode, and a superconducting terminal for supplying input current supplied to the narrow side of the base electrode, and for The spins of the base electrode and counter electrode are equal or close to the length of the weak binding zone, and their thickness is less or closer to the value of the London penetration depth of the magnetic field.

Недостатком этого усилителя является то, что при длине перехода Джозефсонa L, большей двух длин джозефсоновской глубины проникновения магнитного поля λ_j, ее дальнейшее увеличение не приводит к увеличению коэффициента усиления β и не позволяет получить коэффициент усиления по току заметно больше двух.The disadvantage of this amplifier is that when the Josephson transition length L is greater than two Josephson penetration depths of the magnetic field λ _j , its further increase does not increase the gain β and does not allow one to obtain a current gain much greater than two.

Изобретение позволяет создавать усилитель с коэффициентом усиления по току, пропорциональными квадрату отношения длины и джозефсоновской глубины проникновения магнитного поля составляющих его элементов Джозефсона и достигающим величины 10³.The invention allows to create an amplifier with a current gain proportional to the square of the ratio of the length and Josephson penetration depth of the magnetic field of its constituent Josephson elements and reaching a value of 10 ³ .

Это достигается тем, что в сверхпроводниковом усилителе тока на основе эффекта Джозефсона, включающем длинный элемент Джозефсона с сэндвичной структурой, содержащий сверхпроводящий слой, служащий первым (базовым) электродом, сверхпроводящий слой, служащий вторым электродом (противоэлектродом), и расположенный между ними тонкий слой изолятора, полупроводника или нормального металла (зона слабого связывания) и сверхпроводящие выводы для подачи входного и выходного тока при толщине сверхпроводящих слоев, меньшей или близкой к их лондоновской глубине проникновения магнитного поля, новым является то, что он дополнительно содержит второй элемент Джозефсона, который расположен на верхней стороне второго электрода (противоэлектрода) первого элемента Джозефсона, образован этим вторым электродом (противоэлектродом), дополнительным тонким слоем изолятора, полупроводника или нормального металла (зона слабого связывания) и дополнительным третьим сверхпроводящим электродом и близок или совпадает по размерам с первым элементом Джозефсона, причем их длина больше, а ширина меньше их джозефсоновской глубины проникновения магнитного поля, ширина второго электрода (противоэлектрода) близка или равна ширине элементов Джозефсона, а длина первого и третьего электродов близка или равна длине элементов Джозефсона, сверхпроводящие выводы для подачи входного тока подведены к узким краям второго электророда (противоэлектрода), а сверхпроводящие выводы для подачи выходного тока подведены к широким сторонам первого (базового) и третьего (дополнительного) электродов. This is achieved by the fact that in a superconductor current amplifier based on the Josephson effect, including a long Josephson element with a sandwich structure, containing a superconducting layer serving as the first (base) electrode, a superconducting layer serving as the second electrode (counter electrode), and a thin insulator layer located between them , semiconductor or normal metal (weak binding zone) and superconducting leads for supplying input and output current with a thickness of superconducting layers smaller or close to their London The depth of magnetic field penetration is new in that it additionally contains a second Josephson element, which is located on the upper side of the second electrode (counter electrode) of the first Josephson element, is formed by this second electrode (counter electrode), an additional thin layer of an insulator, semiconductor or normal metal ( weak binding zone) and an additional third superconducting electrode and is close or coincides in size with the first Josephson element, moreover, their length is greater and the width is less e their Josephson penetration depth of the magnetic field, the width of the second electrode (counter electrode) is close to or equal to the width of the Josephson cells, and the length of the first and third electrodes is close to or equal to the length of the Josephson cells, the superconducting leads for supplying the input current are brought to the narrow edges of the second electrode (counter electrode), and the superconducting leads for supplying the output current are connected to the wide sides of the first (base) and third (additional) electrodes.

Выполнение усилителя указанным способом позволяет получить большой коэффициент усиления по току при нулевом входном сопротивлении за счет использования дополнительного перехода Джозефсона для инжекции выходного тока во второй электрод (противоэлектрод) и за счет того, что выводы для подачи входного тока составляют единое целое с вторым электродом (противоэлектрордом). Предлагаемая конструкция позволяет исключить экранирование выводами для подачи выходного тока магнитного поля, создаваемого входным током в переходе, которое имеет место в конструкции, предложенной в прототипе. The implementation of the amplifier in this way allows you to get a large current gain at zero input resistance due to the use of an additional Josephson junction to inject the output current into the second electrode (counter electrode) and due to the fact that the conclusions for supplying the input current are integral with the second electrode (counter electrode ) The proposed design eliminates the shielding of the findings for supplying the output current of the magnetic field generated by the input current in the junction, which takes place in the design proposed in the prototype.

На фиг. 1 приведен предлагаемый сверхпроводниковый усилитель тока; на фиг.2 приведена схема его включения. In FIG. 1 shows the proposed superconducting current amplifier; figure 2 shows a diagram of its inclusion.

Усилитель 1 содержит длинный элемент Джозефсона с сэндвичной структурой, включающий последовательно расположенные на подложке 2 первый (базовый) электрод 3, тонкий слой 4 изолятора, полупроводника или нормального металла (зону слабого связывания), второй электрод (противоэлектрод) 5, и дополнительный элемент Джозефсона, образованный вторым электродом (противоэлектродом) 5, дополнительным тонким слоем 6 изолятора, полупроводника или нормального металла (зоной слабого связывания) и третьим (дополнительным) сверхпроводящим электродом 7. Сверхпроводящие выводы 8 для подачи входного тока I_вх соединены с узкими краями второго электрода (противоэлектрода) 5, а сверхпроводящие выводы 9 для подачи выходного тока I_вых соединены с широкими сторонами первого (базового) 3 и третьего (дополнительного) 7 электродов.The amplifier 1 contains a long Josephson element with a sandwich structure, including a first (base) electrode 3, a thin layer 4 of an insulator, semiconductor or normal metal (weak bonding zone), a second electrode (counter electrode) 5, and an additional Josephson element, arranged sequentially on the substrate 2 formed by the second electrode (counter electrode) 5, an additional thin layer 6 of an insulator, semiconductor or normal metal (zone of weak binding) and the third (additional) superconducting electrode 7. Super conductive terminals 8 for supplying the input current I _Rin connected with the narrow edges of the second electrode (counter electrode) 5, a superconducting terminals 9 for supplying an output current I _O connected to the wide sides of the first (base) 3, and the third (optional) 7 electrodes.

В конкретном варианте сверхпроводниковый усилитель изготовляется методами напыления и литографии. В качестве сверхпроводящих слоев могут быть, например, использованы пленки ниобия, в качестве подложки пластина кремния, а в качестве зоны слабого связывания окись алюминия. В этом случае первый (базовый) электрод методами литографии изготовляется из сверхпроводящей пленки ниобия, напыленной на кремниевую подложку, заодно с выводом для подачи выходного тока. Зона слабого связывания первого перехода Джозефсона образуется напылением на базовый электрод тонкого слоя алюминия с его последующим окиcлением. Второй электрод (противоэлектрод) образуется методом литографии заодно с выводами для подачи входного тока из сверхпроводящей пленки ниобия, напыленной поверх окиси алюминия (зоны слабого связывания). Дополнительная зона слабого связывания образуется напылением на противоэлектрод тонкого слоя алюминия с его последующим окислением. Третий (дополнительный) электрод образуется методом литографии заодно с выводом для подачи выходного тока из сверхпроводящей пленки ниобия, напыленной поверх дополнительного слоя окиси алюминия (зоны слабого связывания). In a specific embodiment, the superconductor amplifier is manufactured by spraying and lithography. For example, niobium films can be used as superconducting layers, a silicon wafer as a substrate, and alumina as a weak binding zone. In this case, the first (base) electrode by lithography methods is made of a superconducting niobium film deposited on a silicon substrate, at the same time with the output for supplying the output current. The weak binding zone of the first Josephson junction is formed by sputtering a thin layer of aluminum on the base electrode with its subsequent oxidation. The second electrode (counter electrode) is formed by lithography along with the leads for supplying input current from a superconducting niobium film deposited on top of aluminum oxide (weak binding zone). An additional zone of weak binding is formed by sputtering a thin layer of aluminum on the counter electrode with its subsequent oxidation. The third (additional) electrode is formed by lithography along with the output for supplying the output current from a superconducting niobium film deposited on top of an additional layer of aluminum oxide (weak binding zone).

Предлагаемый усилитель тока работает следующим образом. The proposed current amplifier operates as follows.

На выводы 8 для подачи входного тока подается входной ток I_вх. Протекая вдоль второго электрода (противоэлектрода) 4, он изменяет величину критического тока переходов Джозефсона. Ток смещения I_смраспределяется между выходом усилителя и шунтирующим его сопротивлением R_ш 10, по величине меньшим или близким к величине сопротивления переходов Джозефсона в резистивном состоянии R_вых (фиг.2). Величина тока смещения выбирается такой, чтобы на выходе усилителя было небольшое напряжение конечной величины. Изменение выходного тока I_вых., проходящего через оба перехода Джозефсона, происходит в результате перераспределения тока смещения между шунтом и выходом усилителя вследствие изменения величины критического тока переходов Джозефсона I_с. Наилучший результат достигается при сопротивлении шунта, много меньшем выходного сопротивления усилителя, которое равно сопротивлению образующих его переходов Джозефсона в резистивное состоянии, R_ш << R_вых. В этом случае величина выходного тока близка к величине критического тока переходов Джозефсона I_вых ≃ I_с и величина коэффициента усиления, определяемого как отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока β= Δ I_вых/Δ I_вх, близка к отношению изменения критического тока к вызвавшему его изменению входного тока, β ≃ ΔI_c/ΔI_вх. Как показали вычисления, величина коэффициента усиления зависит от величины входного тока I_вх. Например, в усилителе, образованном элементами Джозефсона с одинаковой величиной плотности критического тока I_с, при I_вх, близкой к величине, определяемой выражением 2^3/2 λ_jj_c, коэффициент усиления достигает максимальной величины, равной 2^-1/2(L/ λ_j)². Эта величина пропорциональна плотности критического тока переходов j_с, квадрату длины переходов Джосефсона, (L², квадрату лондоновской глубины проникновения магнитного поля λ_L ² и обратно пропорциональна толщине второго электрода (противоэлектрода) d. Например, при использовании переходов Джосефсона ниобий окись алюминия ниобий длиной L 30 мкм с плотностью критического тока 10⁵ А/см², толщиной второго электрода (противоэлектрода) d 0,02 мкм величина коэффициента усиления равна 870.At terminals 8 for supplying the input current supplied to the input current I _Rin. Flowing along the second electrode (counter electrode) 4, it changes the critical current of Josephson junctions. The bias current I _{cm is} distributed between the output of the amplifier and the shunt resistance R _w 10, which is smaller or close to the resistance value of Josephson junctions in the resistive state R _o (Fig. 2). The bias current value is selected so that the output of the amplifier has a small voltage of a finite value. Change in output current I _o passing through both Josephson junctions occurs as a result of the redistribution of the bias current between the shunt and the amplifier output due to a change in the critical current of Josephson junctions I _s . The best result is achieved when the resistance of the shunt is much less than the output resistance of the amplifier, which is equal to the resistance of the Josephson junctions forming it in the resistive state, R _w << R _out . In this case, the value of the output current is close to the critical current of Josephson junctions I _o ≃ I _s and the gain, defined as the ratio of the change in the output current to the change in the input current β = Δ I _o / Δ I _in , is close to the ratio of the critical current to the change in input current that caused it, β ≃ ΔI _c / ΔI _in . As calculations showed, the magnitude of the gain depends on the magnitude of the input current I _in . For example, in an amplifier formed by Josephson elements with the same critical current density I _s , with I _in close to the value determined by the expression 2 ^3/2 λ _j j _c , the gain reaches a maximum value equal to 2 ^-1/2 (L / λ _j ) ² . This value is proportional to the critical current density j _{s of the} transitions, the square of the length of Josephson junctions, (L ² , the square of the London penetration depth of the magnetic field λ _L ^2, and inversely proportional to the thickness of the second electrode (counter electrode) d. For example, when using Josephson junctions, niobium alumina niobium length L 30 μm with a critical current density of 10 ⁵ A / cm ² , the thickness of the second electrode (counter electrode) d 0.02 μm, the gain is 870.

Claims

SUPERCONDUCTOR CURRENT AMPLIFIER BASED ON JOSEPHSON EFFECT, including a long Josephson element with a sandwich structure, containing a superconducting layer serving as the first electrode, a superconducting layer serving as the second electrode, and located between them and connecting them a thin layer of insulator, semiconductor or normal for supplying input and output current with a thickness of the superconducting layers less than or close to their London penetration depth of the magnetic field, characterized in that then it further comprises a second Josephson element, which is located on the upper side of the second electrode of the first Josephson element, is formed by this second electrode, an additional thin layer of insulator, semiconductor or normal metal and a third superconducting electrode and is close to or coincides in size with the first Josephson element, and the width the second electrode is close to or equal to the width of the Josephson cell, and the length of the first and third electrodes is close to or equal to the length of the Josephson cell, superconducting output s for supplying the input current are led to the narrow edges of the second electrode, and superconducting leads for supplying the output current are led to the wide sides of the first and third electrodes.