RU2504049C2 - Superconducting josephson instrument and method of its manufacturing - Google Patents

Superconducting josephson instrument and method of its manufacturing Download PDF

Info

Publication number
RU2504049C2
RU2504049C2 RU2012115033/28A RU2012115033A RU2504049C2 RU 2504049 C2 RU2504049 C2 RU 2504049C2 RU 2012115033/28 A RU2012115033/28 A RU 2012115033/28A RU 2012115033 A RU2012115033 A RU 2012115033A RU 2504049 C2 RU2504049 C2 RU 2504049C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
metal
semiconductor
layer
impurity
atoms
Prior art date
Application number
RU2012115033/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012115033A (en
Inventor
Александр Львович Гудков
Михаил Юрьевич Куприянов
Анатолий Иванович Козлов
Анатолий Николаевич Самусь
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина"
Priority to RU2012115033/28A priority Critical patent/RU2504049C2/en
Publication of RU2012115033A publication Critical patent/RU2012115033A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2504049C2 publication Critical patent/RU2504049C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: instrument making.
SUBSTANCE: substance of the invention: DTN on the basis of a multi-layer thin-film heterostructure comprises two superconductors that form electrodes, and a layer with metal conductivity between them from a metal-alloyed semiconductor. The layer has a locally non-uniform structure and is made as capable of simultaneous formation of two independent current transport channels in its volume, one of which represents a combination of chains of admixture atoms of metal that connect both electrodes and form quasi-unidimensional channels with metal conductivity for transport of superconducting current, and the other one - consists of separately arranged admixture atoms of metal, which form localised conditions of admixture centres and provide for transport of normal tunnel current, besides, the specified quasi-unidimensional channels represent internal shunts for a tunnel current in the layer. The method includes serial application of the first and second layers of the superconductor onto the substrate, a layer of the metal-alloyed semiconductor between them, formed by spraying of the semiconductor and the metal.
EFFECT: elimination of direct flow of current via a layer with provision of resonance mechanisms of current transport, increased specific voltage and differential resistance of a DTN; improved reproducibility of parameters due to usage of thicker layers of an alloyed conductor.
17 cl, 8 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области сверхпроводниковой микро- и наноэлектроники и может быть использовано при производстве сверхпроводниковых интегральных схем (СПИС) различного назначения.The invention relates to the field of superconducting micro- and nanoelectronics and can be used in the manufacture of superconducting integrated circuits (LIS) for various purposes.

Известен сверхпроводящий прибор с джозефсоновским переходом (далее СПД) на основе многослойной тонкопленочной структуры SNS (сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник), состоящий из нижнего сверхпроводящего электрода S на основе соединения Nb, прослойки из нитрида тантала (TaxN) и верхнего электрода S также на основе соединения Nb (US6734454 (В2), Van Duzer, et al., 11.05.2004).Known is a superconducting device with a Josephson junction (hereinafter referred to as SPD) based on a multilayer thin-film structure SNS (superconductor - normal metal - superconductor), consisting of a lower superconducting electrode S based on an Nb compound, a layer of tantalum nitride (Ta x N) and an upper electrode S also based on Nb compound (US6734454 (B2), Van Duzer, et al. 05/11/2004).

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 ξN, 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 (Vc=IcRN, где Ic - критический ток перехода, a RN - нормальное сопротивление) остается низким, и его высокочастотные свойства в силу соотношения Джозефсона остаются неудовлетворительными.The disadvantage of this device is that the weak bond is localized in the region of the normal (N) metal layer, and such an N metal must simultaneously satisfy two mutually contradictory requirements. On the one hand, to ensure high critical current densities at a technologically reasonable interlayer thickness, it must have a large effective coherence length ξN, i.e. to be low resistance. On the other hand, to prevent significant suppression of superconductivity in S electrodes, its transport properties must be significantly worse compared to similar parameters of superconductors (M.Yu. Kupriyanov, A.A. Golubov, ZhETF, T. 96, issue 4, 1420 , 1989), i.e. the material of the interlayer should be high resistance to the material of the electrodes. There is a significant suppression of superconductivity in the electrodes, as a result of which the characteristic transition voltage (V c = I c R N , where I c is the critical transition current and R N is the normal resistance) remains low, and its high-frequency properties, due to the Josephson relation, remain unsatisfactory.

Известен СПД на основе многослойной тонкопленочной структуры сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник, включающий формирование нижнего сверхпроводящего электрода на основе соединения Nb, прослойки из несверхпроводящей фазы нитрида ниобия (NbxN) и верхнего электрода также на основе соединения Nb (EP 1365456 (А2), YAMAMORI HIROTAKE et al., 26.11.2003). 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.Known SPD based on a multilayer thin-film structure superconductor - normal metal - superconductor, including the formation of the lower superconducting electrode based on the Nb compound, a layer of the nonsuperconducting phase of niobium nitride (Nb x N) and the upper electrode also based on the Nb compound (EP 1365456 (A2), YAMAMORI HIROTAKE et al., 11.26.2003). The technological advantage of this method is the use of only one source of spraying to form the entire Josephson structure. However, the main disadvantage of this method remains the metal layer and, accordingly, obtaining SPD SNS type with all the ensuing disadvantages.

Известны и другие аналоги СПД с использованием более высокоомных прослоек на основе металлических сплавов, например сплавы PdAu, TiN. В результате чего во всех перечисленных структурах получались СПД 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 СПД 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.Other analogs of SPD are also known using higher-resistance interlayers based on metal alloys, for example, PdAu, TiN alloys. As a result, in all of the above structures, SNS-type SPDs were obtained in which current was transported by direct current flowing through a layer with purely metallic conductivity. In such transitions, as a rule, the characteristic voltage did not exceed tens of microvolts, which corresponded to operating frequencies up to 20 GHz. For most practical applications, an SPD with a characteristic voltage of hundreds of microvolts and operating frequencies in the range of 20-200 GHz and higher is required. So, for example, for metrological applications, operating frequencies should be in the ranges of 70 GHz and 90 GHz.

Известен СПД и способ его изготовления на основе многослойной тонкопленочной структуры сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник. СПД включает первый сверхпроводящий электрод из Nb, прослойку из сильно легированного металлом аморфного кремния (α-Si) и верхний сверхпроводящий электрод также из Nb. Способ включает последовательное нанесение на подложку первого и второго слоев сверхпроводника, прослойки легированного металлом полупроводника между ними, формируемой путем распыления полупроводника и металла (см. Гудков А.Л., Куприянов М.Ю., Лихарев К.К. Свойства джозефсоновских переходов с прослойкой из легированного кремния. ЖЭТФ. 1988. Т. 94. Вып.7. С.319-332 - ближайший аналог первого и второго изобретений группы).Known SPD and the method of its manufacture on the basis of a multilayer thin-film structure of a superconductor - normal metal - superconductor. The SPD includes a first superconducting electrode of Nb, a layer of highly metal-doped amorphous silicon (α-Si), and an upper superconducting electrode of also Nb. The method includes the sequential deposition of the first and second layers of a superconductor on the substrate, a layer of a metal-doped semiconductor between them, formed by sputtering a semiconductor and a metal (see Gudkov A.L., Kupriyanov M.Yu., Likharev K.K. Properties of Josephson junctions with an interlayer from doped silicon. JETP. 1988. T. 94. Issue 7. P.319-332 - the closest analogue of the first and second inventions of the group).

Преимущество данного прибора заключается в том, что в качестве примеси используется металл, образующий глубокие примесные уровни в полупроводнике, а режим формирования прослойки выбирается таким образом, что аморфный полупроводник насыщается металлической примесью до состояния полного вырождения с образованием материала с металлической проводимостью, после чего легирование прекращается.The advantage of this device is that as an impurity a metal is used that forms deep impurity levels in the semiconductor, and the interlayer formation mode is chosen so that the amorphous semiconductor is saturated with a metal impurity to the state of complete degeneration with the formation of a material with metallic conductivity, after which alloying ceases .

Как установлено (Kulikov V.A., et а1., A mm-wave radiometer with planar Nb/α-Si/Nb josephson junction. IEEE Trans. on Magn. MAG-27, 1991, №2), степень легирования α-Si примесью Nb составляет примерно 11%. В результате получается прибор SNS типа, и достаточно высокоомная прослойка. Данные переходы торцевой конструкции демонстрировали высокие плотности тока до 105 А/см2 и выше.As established (Kulikov VA, et a1., A mm-wave radiometer with planar Nb / α-Si / Nb josephson junction. IEEE Trans. On Magn. MAG-27, 1991, No. 2), the degree of doping of α-Si with Nb impurity is approximately 11%. The result is an SNS type device, and a fairly high resistance layer. These transitions of the end structure showed high current densities of up to 10 5 A / cm 2 and higher.

Недостаток состоит в возможности реализации СПД только субмикронной площади 0,01-1 мкм2. При большей площади получаются либо большие критические токи (7 с), что приводит к перегреву перехода, либо малые Vc. Для целого ряда применений, включая программируемые квантовые эталоны Вольта, генераторные системы и другие высокочастотные устройства, требуются СПД площадью до 100 мкм2 и имеющие Vc от 100 мкВ и выше. В частности, для метрологических потребностей нужны переходы большой площади с Vc≥150 мкВ и величинами Iс от долей до нескольких миллиампер. Требование к величине Iс связано с необходимостью получения стабильных ступеней Шапиро большой амплитуды при воздействии внешней рабочей частоты.The disadvantage is the possibility of implementing SPD only submicron area of 0.01-1 μm 2 . With a larger area, either large critical currents (7 s) are obtained, which leads to overheating of the junction, or small V c . For a number of applications, including Volta programmable quantum standards, generator systems and other high-frequency devices, SPDs with an area of up to 100 μm 2 and having V c from 100 μV and above are required. In particular, metrological needs require large-area transitions with V c ≥150 μV and I c values from fractions to several milliamps. The requirement for the value of I c is associated with the need to obtain stable Shapiro steps of large amplitude when exposed to an external operating frequency.

Группа изобретений направлена на устранения отмеченных недостатков СПД.The group of inventions is aimed at eliminating the noted disadvantages of SPD.

Патентуемый СПД на основе многослойной тонкопленочной гетероструктуры содержит два слоя сверхпроводника, образующих электроды, и прослойку с металлической проводимостью между ними из легированного металлом полупроводника.Patented SPD based on a multilayer thin-film heterostructure contains two layers of a superconductor that form electrodes, and a layer with metal conductivity between them from a metal-doped semiconductor.

Отличие состоит в том, что прослойка имеет локально неоднородную структуру и выполнена с возможностью одновременного образования в ее объеме двух независимых каналов транспорта тока, один из которых представляет собой совокупность цепочек примесных атомов металла, соединяющих оба электрода и образующих квазиодномерные каналы с металлической проводимостью для транспорта сверхпроводящего тока. Другой канал состоит из отдельно расположенных примесных атомов металла, образующих локализованные состояния примесных центров и обеспечивающих транспорт нормального туннельного тока. Упомянутые квазиодномерные каналы представляют собой внутренние шунты для туннельного тока в прослойке.The difference is that the interlayer has a locally inhomogeneous structure and is capable of simultaneously forming two independent current transport channels in its volume, one of which is a set of chains of impurity metal atoms connecting both electrodes and forming quasi-one-dimensional channels with metallic conductivity for superconducting transport current. Another channel consists of separately located impurity metal atoms, forming localized states of impurity centers and providing transport of a normal tunneling current. The quasi-one-dimensional channels mentioned are internal shunts for the tunneling current in the interlayer.

СПД может характеризоваться тем, что проводимости каналов транспорта тока предпочтительно равны, а также тем, что каналы состоят из атомов металлов, образующих глубокие примесные уровни в полупроводнике, и тем, что каналы состоят из атомов тугоплавких металлов, образующих глубокие примесные уровни в полупроводнике.SPD can be characterized by the fact that the conductivities of the current transport channels are preferably equal, and also by the fact that the channels consist of metal atoms forming deep impurity levels in the semiconductor, and the channels consist of atoms of refractory metals forming deep impurity levels in the semiconductor.

СПД может характеризоваться тем, что каналы состоят из кластеров металлов, содержащих по меньшей мере два атома, и, кроме того, тем, что полупроводник представляет собой аморфный материал.SPD can be characterized by the fact that the channels consist of clusters of metals containing at least two atoms, and, in addition, the fact that the semiconductor is an amorphous material.

В качестве полупроводника может быть использован кремний, а в качестве легирующей примеси - материал сверхпроводника, либо тугоплавкие металлы, выбранные из группы, содержащей W, Та, Мо. Каналы могут состоять из атомов металлов, образующих глубокие примесные уровни в полупроводнике, и кластеров металлов, содержащих по меньшей мере два атома. Прослойка может содержать по меньшей мере один слой металла или другого проводящего материала, параллельный границам раздела прослойки и электродов, толщина которого составляет по меньшей мере один атомный слой.Silicon can be used as a semiconductor, and a superconductor material or refractory metals selected from the group consisting of W, Ta, Mo can be used as a dopant. Channels can consist of metal atoms forming deep impurity levels in a semiconductor and metal clusters containing at least two atoms. The interlayer may contain at least one layer of metal or other conductive material parallel to the interface between the interlayer and the electrodes, the thickness of which is at least one atomic layer.

СПД может характеризоваться тем, что металл или другой проводящий материал внутри прослойки обладает сверхпроводящими свойствами, а также тем, что металл или другой проводящий материал обладает ферромагнитными или антиферромагнитными свойствами.SPD can be characterized in that the metal or other conductive material within the interlayer has superconducting properties, and also in that the metal or other conductive material has ferromagnetic or antiferromagnetic properties.

Патентуемый способ изготовления сверхпроводящего прибора Джозефсона включает последовательное нанесение на подложку первого и второго слоев сверхпроводника, прослойки легированного металлом полупроводника между ними, формируемой путем распыления полупроводника и металла.A patented method for manufacturing a Josephson superconducting device involves sequentially depositing the first and second layers of a superconductor on a substrate, a layer of a metal-doped semiconductor between them, formed by sputtering a semiconductor and a metal.

Отличие способа состоит в том, что после нанесения первого слоя сверхпроводника подбирают параметры распыления полупроводника и металла из условия формирования проводящей прослойки с локально неоднородной структурой, содержащей в своем объеме соединяющие первый и второй слои сверхпроводника совокупность цепочек из случайно расположенных примесных атомов и не связанные с упомянутыми цепочками отдельно расположенные примесные атомы или кластеры металлов, образующие локализованные примесные центры.The difference of the method lies in the fact that after the deposition of the first layer of the superconductor, the sputtering parameters of the semiconductor and metal are selected from the conditions for the formation of a conductive layer with a locally heterogeneous structure containing in its volume a combination of chains of randomly located impurity atoms connecting the first and second layers of the superconductor and not related chains of separately located impurity atoms or metal clusters forming localized impurity centers.

Концентрацию С примесных атомов или кластеров металла внутри прослойки выбирают из условия:The concentration C of impurity atoms or metal clusters inside the layer is selected from the condition:

C2>C>C1, где C1 - концентрация примесных атомов или кластеров, при которой среднее расстояние между ними много больше радиуса локализации; С2 - концентрация примесных атомов или кластеров, при которой среднее расстояние между ними меньше радиуса локализации.C 2 >C> C 1 , where C 1 is the concentration of impurity atoms or clusters at which the average distance between them is much greater than the localization radius; C 2 is the concentration of impurity atoms or clusters at which the average distance between them is less than the localization radius.

Способ может характеризоваться тем, что источник распыления полупроводника и металла имеет мишень из полупроводника с заданной концентрацией металлической примеси и/или мозаичную мишень из полупроводника и металла.The method may be characterized in that the sputtering source of the semiconductor and metal has a semiconductor target with a given concentration of metallic impurity and / or a mosaic target of semiconductor and metal.

Способ может характеризоваться и тем, что использованы два независимых источника распыления полупроводника и металла. В качестве полупроводника может быть использован кремний, а в качестве легирующей примеси - материал сверхпроводника, либо тугоплавкие металлы, выбранные из группы, содержащей W, Та, Мо, при этом степень легирования составляет 6-11%.The method can be characterized by the fact that two independent sputtering sources of a semiconductor and a metal are used. Silicon can be used as a semiconductor, and the material of a superconductor or refractory metals selected from the group consisting of W, Ta, Mo can be used as a dopant, while the degree of doping is 6-11%.

Способ может характеризоваться и тем, что температуру подложки и режимы распыления выбирают из условия образования аморфного полупроводника и исключения образования соединений кристаллических фаз полупроводника с легирующей металлической примесью, а также тем, что локально неоднородная структура представляет собой слоистую структуру, образованную нанесением слоев металла без разрыва вакуума.The method can be characterized by the fact that the substrate temperature and spraying conditions are selected from the conditions for the formation of an amorphous semiconductor and the exclusion of compounds of crystalline phases of a semiconductor with an alloying metal impurity, as well as the fact that a locally inhomogeneous structure is a layered structure formed by applying metal layers without breaking the vacuum .

Технический результат первого изобретения группы - повышение величины Vc при заданной величине Iс и величины Rd дифференциального сопротивления СПД в области напряжений, соответствующих рабочим частотам и возможности изготовления СПД любой площади; исключение непосредственного протекания тока через прослойку с обеспечением резонансных механизмов транспорта для токов до нескольких миллиампер; улучшение воспроизводимости параметров за счет использования более толстых слоев легированного полупроводника.The technical result of the first invention of the group is an increase in the value of V c for a given value of I c and the value of R d of the differential resistance of the SPD in the voltage region corresponding to the operating frequencies and the possibility of manufacturing a SPD of any area; the exclusion of direct current flow through the interlayer with the provision of resonant transport mechanisms for currents up to several milliamps; improved reproducibility of parameters through the use of thicker layers of doped semiconductor.

Технический результат второго изобретения группы - возможность формирования заданных параметров легирования прослойки в технологическом процессе без разрыва вакуума: повышение характерного напряжения Vc>150-300 мкВ, нормального сопротивления RN>0,5-1,0 Ом и рабочей частоты Fc>75-100 ГГц и амплитуд ступеней Шапиро, сравнимых с величиной Iс.The technical result of the second invention of the group is the possibility of forming the specified parameters of doping the interlayer in the process without breaking the vacuum: increasing the characteristic voltage V c > 150-300 μV, normal resistance RN> 0.5-1.0 Ohm and the operating frequency F c > 75- 100 GHz and amplitudes of Shapiro steps, comparable with I s .

Достижение технических результатов обосновывается нижеприведенными пояснениями механизмов функционирования и экспериментальными данными.The achievement of technical results is justified by the following explanations of the functioning mechanisms and experimental data.

Улучшение характеристик СДП возможно достичь одновременным повышением двух параметров - величины Vc при заданной величине Iс и величины Rd перехода в области напряжений, соответствующих рабочим частотам. При этом вольтамперная характеристика (ВАХ) перехода должна оставаться практически однозначной, т.е. параметр Маккамбера - Стюарта должен удовлетворять условию:It is possible to improve the characteristics of the PSD by simultaneously increasing two parameters - the value of V c at a given value of I c and the value of R d transition in the voltage region corresponding to the operating frequencies. In this case, the current-voltage characteristic (CVC) of the transition should remain almost unambiguous, i.e. McCumber - Stuart parameter must satisfy the condition:

Figure 00000001
Figure 00000001

Исходя из требований решаемой задачи, параметр β должен быть ≈1 или ≤1, а для эталонов Вольта может незначительно превышать единицу. Отметим, что для СДП SIS-типа параметр β>>1, а для SNS типа - β<<1.Based on the requirements of the problem being solved, the parameter β should be ≈1 or ≤1, and for Volta standards it can slightly exceed unity. Note that for the SIS type SDS, the parameter β >> 1, and for the SNS type, β << 1.

Требуемый результат в патентуемом изобретении достигается за счет выбора прослойки с определенными свойствами, а также за счет выбора режима и степени легирования полупроводниковой прослойки СДП в гетероструктуре сверхпроводник - легированный полупроводник - сверхпроводник (Superconductor - Doped semiconductor -Superconductor), - в реализации СПД SDS-типа, поскольку транспорт тока в такой прослойке осуществляется исключительно за счет примесных центров. В патентуемом изобретении в отличие от прототипа в полупроводниковой прослойке обеспечиваются упругие и неупругие механизмы резонансного транспорта тока через локализованные состояния, образованные примесными центрами.The desired result in the patented invention is achieved by choosing a layer with certain properties, as well as by choosing the mode and degree of doping of the semiconductor layer of an SDP in a heterostructure: superconductor - doped semiconductor - superconductor (Superconductor - Doped semiconductor-Superconductor), - in the implementation of SDS-type SDS , since the current transport in such a layer is carried out exclusively due to impurity centers. In the patented invention, in contrast to the prototype, elastic and inelastic mechanisms of resonant current transport through localized states formed by impurity centers are provided in the semiconductor layer.

Режим распыления осуществляется таким образом, чтобы уровень легирования полупроводника металлом обеспечивал протекание сверхпроводящего тока по резонансным перколяционным траекториям, представляющим собой квазиодномерные каналы с металлической проводимостью, образованные примесными центрами. Протекание нормального тока осуществлялось преимущественно за счет механизма неупругого туннелирования через локализованные состояния. Дополнительным условием для реализации СПД SDS-типа может являться примерное равенство проводимости обоих каналов транспорта тока, а ширина зоны квазиодномерных каналов должна быть существенно меньше величины щели сверхпроводника (Г<Δ).The sputtering mode is carried out in such a way that the level of doping of the semiconductor with a metal ensures the flow of superconducting current along resonant percolation trajectories, which are quasi-one-dimensional channels with metallic conductivity formed by impurity centers. The normal current flow was carried out mainly due to the mechanism of inelastic tunneling through localized states. An additional condition for the implementation of SDS-type SPDs can be the approximate equality of the conductivity of both channels of current transport, and the zone width of quasi-one-dimensional channels should be significantly smaller than the superconductor gap (Г <Δ).

В патентуемом изобретении повышенное значение Ic обеспечивают квазиодномерные каналы с металлической проводимостью и их плотность на единицу площади джозефсоновского перехода, а величина Rd, а также RN определяется механизмом неупругого туннелирования через локализованные состояния. Однозначность ВАХ и отсутствие гистерезиса (β≈1) обеспечивается шунтированием резонансного туннелирования квазиодномерными каналами с металлической проводимостью, т.е. внутренним шунтированием.In the patented invention, the increased value of I c is ensured by quasi-one-dimensional channels with metal conductivity and their density per unit area of the Josephson junction, and the value of R d , as well as R N, is determined by the mechanism of inelastic tunneling through localized states. The I – V characteristic is unambiguous and the absence of hysteresis (β≈1) is ensured by shunting of resonant tunneling by quasi-one-dimensional channels with metal conductivity, i.e. internal bypass surgery.

В результате выбора режима и степени легирования полупроводниковой прослойки получается переход Джозефсона SDS типа, который по своим свойствам принципиально отличается от переходов SNS и SIS типа и занимает промежуточное положение. Это означает, что степень легирования ограничена как сверху, так и снизу. Действительно, повышение степени легирования приведет к полному вырождению прослойки и получению перехода SNS-типа, а уменьшение степени легирования приводит к более редкому расположению примесей в прослойке на расстояния превышающие радиус локализации. При уменьшении степени легирования квазиодномерные каналы с металлической проводимостью уже не образуются, и джозефсоновский переход становится переходом SIS типа.As a result of the choice of the mode and degree of doping of the semiconductor layer, a Josephson transition of the SDS type is obtained, which in its properties is fundamentally different from the transitions of the SNS and SIS type and occupies an intermediate position. This means that the degree of alloying is limited both from above and from below. Indeed, an increase in the degree of doping will lead to complete degeneration of the interlayer and the formation of an SNS-type transition, and a decrease in the degree of doping leads to a rarer arrangement of impurities in the interlayer at distances exceeding the localization radius. With a decrease in the degree of doping, quasi-one-dimensional channels with metallic conductivity are no longer formed, and the Josephson junction becomes a SIS type junction.

Указанный технический результат в способе изготовления СПД SDS типа достигается тем, что степень легирования выбирается меньше, чем при вырождении полупроводника и в указанном соотношении концентрации примеси, так, что при уменьшении степени легирования происходит постепенный переход от перехода SNS типа к переходу SIS типа. При этом меняется форма ВАХ в области рабочих напряжений и соответственно рабочих частот. ВАХ становится близкой к ВАХ перехода SINIS типа, но параметр β остается близким к единице. Как известно в туннельных переходах амплитуда ступеней Шапиро превышает величину Ic и даже пересекает ось напряжений. Близость свойств переходов SDS к переходам SIS и SINIS типа и позволяет достичь максимальных значений амплитуд ступеней Шапиро, что подтверждено экспериментально.The indicated technical result in the manufacturing method of SDS type SDDs is achieved in that the doping degree is selected less than in the case of a semiconductor degeneration and in the indicated ratio of impurity concentration, so that with a decrease in the doping degree a gradual transition from the SNS type transition to the SIS type transition occurs. In this case, the shape of the CVC changes in the field of operating voltages and, accordingly, operating frequencies. The I – V characteristic becomes close to the I – V characteristic of the SINIS type transition, but the parameter β remains close to unity. As is known in tunnel junctions, the amplitude of the Shapiro steps exceeds the value of I c and even crosses the stress axis. The proximity of the properties of SDS transitions to SIS and SINIS type transitions allows us to achieve maximum values of the amplitudes of Shapiro steps, which is confirmed experimentally.

Экспериментально установлено, что желаемая степень легирования прослойки из аморфного кремния металлом (Nb или W), образующим глубокие примесные уровни, лежит в диапазоне 6-11%. Этого достаточно, чтобы плавно регулировать проводимость полупроводниковой прослойки и получать воспроизводимые СПД SDS типа.It was experimentally established that the desired degree of doping of the layer of amorphous silicon with a metal (Nb or W), forming deep impurity levels, lies in the range of 6-11%. This is enough to smoothly regulate the conductivity of the semiconductor layer and to obtain reproducible SDS type SDS.

Способ изготовления СПД предусматривает использование известных в технологии тонких пленок оборудования и материалов. Вначале на подготовленную подложку наносится методом ионно-плазменного распыления или иным методом формирования тонких пленок в едином вакуумном цикле сверхпроводниковая гетероструктура, состоящая из двух слоев сверхпроводника и прослойки между ними из легированного полупроводника. Режимы формирования гетероструктуры, такие как мощность источников, температура подложки и чистота всего процесса, выбираются таким образом, чтобы исключить взаимную диффузию материалов через границы раздела слоев и обеспечить чистоту слоев. Формирование прослойки осуществляется путем осаждения одновременно двух материалов полупроводника и металла методом распыления либо мозаичной мишени из одного источника, либо одновременным распылением двух мишеней из двух независимых источников.A method of manufacturing SPD involves the use of thin films of equipment and materials known in the technology. First, a superconducting heterostructure consisting of two layers of a superconductor and a layer between them of a doped semiconductor is applied to the prepared substrate by the method of ion-plasma sputtering or another method of forming thin films in a single vacuum cycle. The modes of heterostructure formation, such as the power of the sources, the temperature of the substrate, and the purity of the whole process, are chosen in such a way as to exclude mutual diffusion of materials through the interfaces of the layers and to ensure the purity of the layers. The formation of the interlayer is carried out by the deposition of two materials of a semiconductor and a metal at the same time by sputtering either a mosaic target from one source, or by simultaneously spraying two targets from two independent sources.

Существо изобретения поясняется на чертежах, где на:The invention is illustrated in the drawings, where:

фиг.1, 2 показан патентуемый СПД в разрезе;figure 1, 2 shows a patented SPD in the context;

фиг.3 - к пояснению принципа функционирования патентуемого СПД (а) и ближайшего аналога (б);figure 3 - to an explanation of the principle of operation of the patented SPD (a) and the closest analogue (b);

фиг.4 - сопоставление ВАХ патентуемого СПД (а) и ближайшего аналога (б);figure 4 - comparison of the CVC patented SPD (a) and the closest analogue (b);

фиг.5-8 - экспериментальные ВАХ (пояснения в тексте).5-8 - experimental CVC (explanation in the text).

На фиг.1 показана конструкция планарного СПД в разрезе, на котором цифрами обозначено: 1 - подложка; 2 - слой сверхпроводника в качестве нижнего электрода; 3 - слой легированного металлом полупроводника, выполняющий функцию прослойки между двумя сверхпроводящими электродами; 4 - слой сверхпроводника в качестве верхнего электрода; 5 - слой изоляции; 6 - слой сверхпроводниковой разводки верхнего электрода.Figure 1 shows the design of a planar SPD in the context, in which the numbers indicate: 1 - substrate; 2 - a layer of a superconductor as a lower electrode; 3 - a layer of metal-doped semiconductor, performing the function of a layer between two superconducting electrodes; 4 - a layer of a superconductor as an upper electrode; 5 - insulation layer; 6 - a layer of superconducting wiring of the upper electrode.

Позицией 7 обозначено месторасположение сверхпроводящего контакта между слоями сверхпроводника 4 и 6.Position 7 denotes the location of the superconducting contact between the layers of the superconductor 4 and 6.

На фиг.2 показана модификация конструкции СПД. Слой 3 легированного металлом полупроводника, выполняющий функцию прослойки между двумя сверхпроводящими электродами 2 и 4, может содержать по меньшей мере один слой 8 металла или другого проводящего материала, параллельный границам раздела прослойки и электродов, толщина которого составляет по меньшей мере один атомный слой.Figure 2 shows a modification of the design of the SPD. The metal-doped semiconductor layer 3, which acts as an interlayer between two superconducting electrodes 2 and 4, may contain at least one layer 8 of metal or other conductive material parallel to the interface between the interlayer and the electrodes, the thickness of which is at least one atomic layer.

Фиг.3 поясняет принцип функционирования патентуемого СПД (а) и ближайшего аналога SNS типа (б), которые различаются концентрацией металлической примеси в слое 3 из полупроводника. Обозначено: 9 - сверхпроводящие электроды; 10 - прослойка полупроводника, легированного металлом; 11 - границы раздела между прослойкой и электродами; 12 - одиночные примесные атомы металла; 13 - примесь в виде металлических кластеров, состоящих из нескольких атомов.Figure 3 explains the principle of operation of patented SPD (a) and the closest analogue of SNS type (b), which differ in the concentration of metallic impurities in the semiconductor layer 3. Designated: 9 - superconducting electrodes; 10 - a layer of a semiconductor doped with metal; 11 - interface between the layer and the electrodes; 12 - single impurity metal atoms; 13 - impurity in the form of metal clusters consisting of several atoms.

Позицией 14 обозначена условная траектория по каналу транспорта тока через цепочку примесей. Расстояние ri между соседними примесными центрами меньше радиуса локализации электронов а в полупроводнике для одиночных атомов металла или меньше радиуса электронного окружения (электронного облака) rcl для металлического кластера.Position 14 denotes a conditional trajectory along the current transport channel through a chain of impurities. The distance r i between adjacent impurity centers is less than the electron localization radius and in a semiconductor for single metal atoms or less than the radius of the electronic environment (electron cloud) r cl for a metal cluster.

Позицией 15 показаны условные вероятные траектории по каналам упругого и неупругого резонансного туннелирования электронов через локализованные примесные центры, у которых ri>α, rcl.Position 15 shows the conditional probable trajectories along the channels of elastic and inelastic resonant tunneling of electrons through localized impurity centers for which r i > α, r cl .

В модели (фиг.3, а) схематически изображено наличие одновременно двух механизмов транспорта тока: квазиодномерный канал с металлической проводимостью (поз.14) и канал с резонансным туннелированием через локализованные состояния (поз.15). Прослойка в этом случае обладает особыми транспортными свойствами как для сверхпроводящего тока, так и для нормального тока, и переход Джозефсона является переходом SDS типа. Модель (фиг.3, б) демонстрирует однородную и вырожденную в результате легирования до металлической проводимости прослойку, в которой концентрация металлической примеси такова, что среднее расстояние между примесными центрами меньше радиуса локализации (ri<α, rcl)The model (Fig. 3, a) schematically shows the presence of two mechanisms of current transport simultaneously: a quasi-one-dimensional channel with metal conductivity (pos. 14) and a channel with resonant tunneling through localized states (pos. 15). The interlayer in this case has special transport properties for both superconducting current and normal current, and the Josephson junction is an SDS type junction. The model (Fig. 3, b) demonstrates a layer that is homogeneous and degenerated as a result of doping to metal conductivity, in which the concentration of the metal impurity is such that the average distance between the impurity centers is less than the localization radius (r i <α, r cl )

На фиг.4 схематически показаны формы ВАХ: а) СПД SDS типа и б) СПД SNS типа (аналог). Поз. 16 обозначены участки ВАХ, соответствующие сверхпроводящему току; поз.17 - резистивные участки ВАХ.Figure 4 schematically shows the shape of the CVC: a) SDS type SDS and b) type SNS type (analog). Pos. 16, the I – V characteristics corresponding to the superconducting current are indicated; POS.17 - resistive sections of the CVC.

Имеется ряд принципиальных отличий. На ВАХ (фиг.4а) после участка 16 следует участок, близкий к горизонтальному, который также может иметь гистерезис в зависимости от величины безразмерной емкости β СПД. Поведение резистивных участков (поз.17) ВАХ в силу различных механизмов транспорта тока сильно отличаются и описываются разными формулами. Форма резистивного участка ВАХ СПД SDS типа определяется доминирующими процессами резонансного туннелирования через одно или два локализованных состояний и близка к ВАХ, следующей из теории Глазмана-Матвеева:There are a number of fundamental differences. On the CVC (Fig. 4a), after section 16 there follows a section close to horizontal, which may also have hysteresis depending on the size of the dimensionless capacity β SPD. The behavior of resistive sections (pos. 17) of the current – voltage characteristic due to various mechanisms of current transport is very different and are described by different formulas. The shape of the resistive section of the I – V characteristic of the SDS SDS type is determined by the dominant processes of resonant tunneling through one or two localized states and is close to the I – V characteristic following from the Glazman-Matveev theory:

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
,
Figure 00000003
,

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Здесь: S - поперечная площадь перехода Джозефсона; g, E0 и α - плотность резонансных центров, положение энергетического уровня ЛС относительно энергии Ферми и радиус ЛС соответственно; λер - безразмерная константа, характеризующая электрон-фононное взаимодействие; L - расстояние между электродами.Here: S is the transverse area of the Josephson junction; g, E 0 and α are the density of the resonance centers, the position of the energy level of the drug relative to the Fermi energy and the radius of the drug, respectively; λ ep is a dimensionless constant characterizing the electron-phonon interaction; L is the distance between the electrodes.

Множители S/α2 и S/Lα в выражениях (3), (4) определяют полное число статистически независимых каналов туннелирования через одно и два ЛС соответственно. Имеющееся отличие обусловлено тем, что в случае двух ЛС эти центры не должны быть расположены обязательно вдоль прямой перпендикулярной плоскостям границ структуры. При этом фактор (La)1/2 определяет то эффективное расстояние, на которое ЛС могут быть смещены относительно друг друга в объеме прослойки без потери эффективности резонансного канала проводимости. Множители (gα3E0)2, (2gdα2T)2 и (2gdα2eV)2 задают вероятность образования соответствующего канала проводимости. Для канала с одним ЛС такая вероятность определяется эффективным объемом пространства прослойки, который может быть использован электроном для осуществления процесса резонансного туннелирования. Для каналов с двумя ЛС эта вероятность также зависит как от того объема прослойки, который может быть задействован для организации процесса хоппинга, так и от той порции энергии (Т или eV), которая может быть получена или отдана электроном в ходе туннелирования. Последние из сомножителей в формулах (3), (4) задают проводимость оптимального канала туннелирования.The factors S / α 2 and S / Lα in expressions (3), (4) determine the total number of statistically independent tunneling channels through one and two drugs, respectively. The difference is due to the fact that in the case of two drugs these centers should not be necessarily located along a straight line perpendicular to the planes of the boundaries of the structure. In this case, the factor (La) 1/2 determines the effective distance by which the drugs can be shifted relative to each other in the volume of the interlayer without loss of efficiency of the resonant conduction channel. The factors (gα 3 E 0 ) 2 , (2gdα 2 T) 2 and (2gdα 2 eV) 2 determine the probability of the formation of the corresponding conduction channel. For a channel with one LAN, such a probability is determined by the effective volume of the interlayer space, which can be used by an electron to carry out the resonance tunneling process. For channels with two drugs, this probability also depends both on the volume of the interlayer that can be used to organize the hopping process and on that portion of energy (T or eV) that can be received or delivered by the electron during tunneling. The last of the factors in formulas (3), (4) determine the conductivity of the optimal tunneling channel.

Форма резистивного участка ВАХ СПД с параметром β≥1 может быть описана простой формулой:The shape of the resistive section of the I – V characteristic of the SPD with the parameter β≥1 can be described by a simple formula:

Figure 00000006
Figure 00000006

с параметрами σn и βn, значения которых можно легко определить из эксперимента.with parameters σ n and β n , the values of which can be easily determined from experiment.

Традиционная форма резистивного участка ВАХ СПД SNS типа (фиг.4 б) описывается хорошо известной резистивной моделью:The traditional form of the resistive section of the I – V characteristic of the SNS type SPD (Fig. 4 b) is described by the well-known resistive model:

Figure 00000007
Figure 00000007

Выше этого участка следует участок ВАХ, соответствующий нормальному сопротивлению (Км). Причем для СПД SNS типа он характеризуется величиной избыточного тока Iex.Above this section is the portion of the I – V characteristic corresponding to normal resistance (Km). Moreover, for SPD SNS type, it is characterized by the value of excess current I ex .

В противоположность этому участок ВАХ СПД SDS типа (фиг.4 а), соответствующий нормальному сопротивлению и расположенный выше щелевого напряжения (Vg), характерен величиной недостатка тока Idf. Величина недостатка тока пропорциональна Δ-Г и возникает в случае, когда Г<Δ. Для перехода SNS типа величина избыточного тока пропорциональна Г, а сама ширина зоны проводимости Г превосходит 2Δ.In contrast, the portion of the current-voltage characteristic of the SDS SDS type (Fig. 4 a), corresponding to the normal resistance and located above the gap voltage (V g ), is characterized by the current deficiency I df . The magnitude of the current deficiency is proportional to Δ-G and occurs when G <Δ. For an SNS type transition, the excess current is proportional to Г, and the width of the conduction band Г exceeds 2Δ.

На фиг.5 представлена экспериментальная ВАХ СПД на основе сверхпроводниковой гетероструктуры Nb/α-Si/Nb с прослойкой из аморфного кремния (α-Si), легированного W (параметры перехода: β≈1, Ic=0,18 мА, RN=0,2 Ом, Vc=0,036 mV): а) - автономная ВАХ; б) - ВАХ перехода в увеличенном масштабе по току; в) - ВАХ перехода под действием внешней частоты облучения. Площадь перехода -9×9 мкм2.Figure 5 shows the experimental CVC of an SPD based on a Nb / α-Si / Nb superconductor heterostructure with an interlayer of amorphous silicon (α-Si) doped with W (transition parameters: β≈1, I c = 0.18 mA, R N = 0.2 Ohm, V c = 0.036 mV): a) - autonomous CVC; b) - I-V characteristic of the transition on an enlarged scale in current; c) - I – V characteristics of the transition under the action of an external irradiation frequency. The transition area is 9 × 9 μm 2 .

СПД был выполнен следующим образом. После формирования сверхпроводниковой гетероструктуры стандартными методами фотолитографии и сухого травления был сформирован верхний электрод, задающий размер перехода в плане, и топология нижнего электрода. Затем наносится слой изоляции, в котором методами литографии было вскрыто окно к верхнему электроду. Затем в едином вакуумном цикле была произведена ионная очистка поверхности верхнего электрода и нанесен разведочный слой сверхпроводника. Методами литографии из этого слоя была сформирована разводка верхнего электрода. В результате сформированный СПД имеет ВАХ, по форме принципиально отличающуюся от ВАХ переходов как SNS, так SIS типов.SPD was performed as follows. After the formation of the superconducting heterostructure by standard methods of photolithography and dry etching, the upper electrode was formed, which sets the transition size in plan and the topology of the lower electrode. Then an insulation layer is applied, in which the window to the upper electrode was opened by lithographic methods. Then, in a single vacuum cycle, the surface of the upper electrode was ionically cleaned and a reconnaissance layer of the superconductor was deposited. The lithography of this layer was used to form the wiring of the upper electrode. As a result, the formed SPD has a CVC that is fundamentally different in form from the CVC of junctions of both SNS and SIS types.

Использовалась стандартная ниобиевая технология формирования планарных переходов Джозефсона. В качестве материала прослойки использовался аморфный кремний (α-Si), легированный W. Прослойка формировалась методом магнетронного распыления мозаичной мишени α-Si+W. Вся сверхпроводниковая гетероструктура Nb/α-Si(W)/Nb была сформирована в едином вакуумном цикле магнетронным методом распыления мишеней. При формировании рисунка СПД использовались стандартные методы литографии, используемые в электронике. Режимы формирования прибора Джозефсона SDS типа по ключевым технологическим операциям приведены в Таблице.Used standard niobium technology for the formation of planar Josephson junctions. Amorphous silicon (α-Si) doped with W. was used as the interlayer material. The interlayer was formed by magnetron sputtering of the α-Si + W mosaic target. The entire Nb / α-Si (W) / Nb superconductor heterostructure was formed in a single vacuum cycle by the magnetron sputtering method. When forming the SPD pattern, standard lithography methods used in electronics were used. The modes of formation of the Josephson SDS type device for key technological operations are shown in the Table.

На Фиг.6 показана экспериментальная ВАХ на основе сверхпроводниковой гетероструктуры Nb/α-Si/Nb с α-Si прослойкой, легированной W (параметры перехода: β>1, Ic=0,44 мА, RN=0,65 Ом, Vc=0,286 mV): а) - автономная ВАХ; б) - ВАХ перехода в увеличенном масштабе по току; в) - ВАХ перехода под действием внешней частоты облучения. Площадь перехода -9×9 мкм2.Figure 6 shows the experimental CVC based on a Nb / α-Si / Nb superconductor heterostructure with an α-Si layer doped with W (transition parameters: β> 1, I c = 0.44 mA, R N = 0.65 Ohm, V c = 0.286 mV): a) stand-alone CVC; b) - I-V characteristic of the transition on an enlarged scale in current; c) - I – V characteristics of the transition under the action of an external irradiation frequency. The transition area is 9 × 9 μm 2 .

На фиг.7 и фиг.8 показаны экспериментальные ВАХ двух СПД SDS-типа на основе сверхпроводниковой гетероструктуры Nb/α-Si/Nb, но различающихся введением дополнительного слоя металла (Nb) внутрь слоя α-Si, легированного вольфрамом (а) - автономная ВАХ; б) - ВАХ перехода под действием внешней частоты облучения).Figures 7 and 8 show the experimental I – V characteristics of two SDS-type SPDs based on a Nb / α-Si / Nb superconductor heterostructure, but differing by the introduction of an additional metal layer (Nb) inside the α-Si layer doped with tungsten (a) - autonomous CVC; b) - I-V characteristic of the transition under the influence of an external irradiation frequency).

Слой металла параллелен границам раздела прослойки и электродов. Оба СПД изготовлены в одном технологическом цикле.The metal layer is parallel to the interface between the layer and the electrodes. Both SPD are made in one technological cycle.

Графики фиг.7а, б, приведены для конструкции, показанной на фиг.1, графики фиг.8а, б - фиг.2. Толщина слоев 2, 4 из ниобия составляет 200 нм и 100 нм соответственно; толщина слоя 3, выполненного из α-Si, легированного вольфрамом, составляет 8 нм. Толщина слоя 8 ниобия составляет 1-2 нм, при этом он размещен посередине толщины слоя 3, и сумма толщин легированных α-Si слоев в обоих случаях равна. Площадь переходов -9×9 мкм2.The graphs of FIGS. 7a, b are shown for the structure shown in FIG. 1, the graphs of FIG. 8a, b - FIG. 2. The thickness of layers 2, 4 of niobium is 200 nm and 100 nm, respectively; the thickness of layer 3 made of α-Si doped with tungsten is 8 nm. The thickness of layer 8 of niobium is 1-2 nm, while it is located in the middle of the thickness of layer 3, and the sum of the thicknesses of the doped α-Si layers in both cases is equal. The transition area is 9 × 9 μm 2 .

Видно, что величина Ic СПД со слоем 8 (фиг.8) возросла в 30 раз по сравнению с контрольным СПД (фиг.7). Это доказывает тот факт, что общее количество каналов транспорта тока, как квазиодномерных каналов с металлической проводимостью, так и каналов резонансного туннелирования возросло благодаря наличию слоя 8 из ниобия.It can be seen that the value of I c SPD with layer 8 (Fig. 8) increased by 30 times compared with the control SPD (Fig. 7). This is proved by the fact that the total number of current transport channels, both quasi-one-dimensional channels with metallic conductivity and resonance tunneling channels, increased due to the presence of layer 8 of niobium.

Таким образом, транспорт сверхпроводящего тока по квазиодномерным каналам с металлической проводимостью и транспорт нормального тока за счет резонансного туннелирования через локализованные состояния дает новую форму ВАХ перехода SDS-типа, улучшает высокочастотные свойства СПД, что расширяет область высокочастотных применений. Использование полностью аморфной легированной полупроводниковой прослойки повышает воспроизводимость параметров за счет однородности толщины прослойки по всей площади перехода. Прослойка из полупроводника, легированного металлическими кластерами, повышает проводимость каналов резонансного транспорта тока за счет большей вероятности образования таких каналов, так как rcl>ri.Thus, the transport of the superconducting current through quasi-one-dimensional channels with metallic conductivity and the transport of the normal current due to resonant tunneling through localized states gives a new form of the current – voltage characteristic of the SDS type transition, improves the high-frequency properties of SPDs, which expands the range of high-frequency applications. The use of a fully amorphous doped semiconductor interlayer increases the reproducibility of parameters due to the uniformity of the interlayer thickness over the entire transition area. A layer of a semiconductor doped with metal clusters increases the conductivity of the resonant current transport channels due to the higher probability of the formation of such channels, since r cl > r i .

Использование SDS-типа слоистой прослойки из легированного полупроводника с металлическими слоями повышает величину 1 с за счет увеличения каналов транспорта тока и позволяет улучшить воспроизводимость параметров за счет возможности использования более толстых слоев легированного полупроводника при фиксированной величине критического тока. Для СДП патентуемого SDS-типа большой площади обеспечено повышение характерного напряжения Vc>150-300 мкВ, нормального сопротивления RN>0,5-1,0 Ом, рабочей частоты Fc>75-100 ГГц и амплитуд ступеней Шапиро, сравнимых с величиной Ic.The use of the SDS type of a layered layer of a doped semiconductor with metal layers increases the value of 1 s by increasing the channels of current transport and improves the reproducibility of the parameters due to the possibility of using thicker layers of the doped semiconductor at a fixed critical current. For the SDP of the patented SDS type of large area, an increase in the characteristic voltage V c > 150-300 μV, normal resistance R N > 0.5-1.0 Ohm, operating frequency F c > 75-100 GHz and amplitudes of Shapiro steps, comparable with value of I c .

ТаблицаTable РЕЖИМЫ ФОРМИРОВАНИЯ СПД ПО КЛЮЧЕВЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОПЕРАЦИЯМSPD FORMATION MODES FOR KEY TECHNOLOGICAL OPERATIONS №п/пNo. Наименование операцийName of operations Технологические режимыTechnological Modes Характеристики слояLayer characteristics 1.one. Подготовка кремниевой подложки 1Preparation of silicon substrate 1 Стандартная химическая отмывка - пластина кремния КДБ - 12Standard chemical washing - silicon wafer KDB - 12 ρ=12 Ом·смρ = 12 Ohm · cm 2.2. Нанесение слоя 2 NbApplication of a layer of 2 Nb Давление ост. газов
Рост.=(3-5)10-4 Па
Тподл.д.=40-45°С
Мощность магнетрона=800 Вт
t напыления = 90 с
Pressure ost. gas
P rest . = (3-5) 10 -4 Pa
T forged = 40-45 ° C
Magnetron Power = 800 W
t spraying = 90 s
d=0,2 мкм
ρs=0,9-1 Ом/□
γ=R300/R10=2,5 Тc=9,2 К
d = 0.2 μm
ρ s = 0.9-1 Ohm / □
γ = R300 / R10 = 2.5 T c = 9.2 K
3.3. Нанесение слоя 3 α-Si(W)Application of layer 3 α-Si (W) Время остывания после
нанесения Nb1 tост. = 5 мин
Tподл.д. =30-35°C
Давление ост.газов Рост=(3-5)10-4 Па
Мощность магнетрона = 200 Вт
t напыления = 20-30 с
Cooling time after
deposition of Nb1 t rest = 5 min
T forged = 30-35 ° C
Pressure ost.gazov P ost = (3-5) 10 -4 Pa
Magnetron Power = 200 W
t spraying = 20-30 s
d(α-Si(W))=5-10 нмd (α-Si (W)) = 5-10 nm
4.four. Нанесение слоя 4 NbApplication of a layer of 4 Nb Давление ост.газов
Рост=3-5·10-4 Па
Тподл.д. = 35-40°C
t напыления = 40 с
Residual gas pressure
P ost = 3-5 · 10 -4 Pa
T forged = 35-40 ° C
t spraying = 40 s
d=0,08 мкм
ρs=0,9-1 Ом/□
γ=R300/R10=2
Тc=- 9,2 К
d = 0.08 μm
ρ s = 0.9-1 Ohm / □
γ = R300 / R10 = 2
T c = - 9.2 K
5.5. ПХТ(Nb2/α-Si/Nb/α-Si/)PCT (Nb2 / α-Si / Nb / α-Si /) Газ - СF4+O2(5:1)
Давление Р=0,2 Па
Мощность Р=40 Вт
t травления=20 мин
Gas - CF 4 + O 2 (5: 1)
Pressure P = 0.2 Pa
Power P = 40 W
t etching = 20 min
6.6. ПХТ слоя 2 NbPCT layer 2 Nb Газ - СF4+02(5:1)
Давление Р=0,2 Па
Мощность Р=40 Вт Длит.травления=30-40 мин
Gas - CF 4 +0 2 (5: 1)
Pressure P = 0.2 Pa
Power Р = 40 W Duration of etching = 30-40 min
7.7. Нанесение слоя 5 изоляции (Аl2O3)Application of insulation layer 5 (Al 2 O 3 ) Давление ост.газов Рост = 3·10-3 Па
Тподл.д.=150-200°С
t напыления = 3 мин
Pressure ost.gazov P ost = 3 × 10 -3 Pa
T forged = 150-200 ° C
t spraying = 3 min
d=0,35 мкмd = 0.35 μm
8.8. Вскрытие окон в слое Аl2O3 Opening windows in the layer Al 2 O 3 Травитель: СrО33РO42O (100 г. - 200 мл - 150 мл) Tтp.=85°С
t травления=4 мин
Etchant: CrO 3 -H 3 PO 4 -H 2 O (100 g - 200 ml - 150 ml) T mp. = 85 ° C
t etching = 4 min
9.9. ИО слоя 4 и нанесение слоя 6 NbIO layer 4 and applying a layer of 6 Nb Газ- Аr Давление Р=0,67 Па Мощность Prf=0,6 кВт
t чистки=2 мин. Рост=1,3·10-4 Па Тподл.д.=100-150°С Длит. напыления = 8 мин
Gas-Ar Pressure P = 0.67 Pa Power P rf = 0.6 kW
t cleaning = 2 min. P ost = 1.3 · 10 -4 Pa T forg.d. = 100-150 ° С Duration. spraying = 8 min
d=0,25 мкм
ρs=0,9-1 Ом/□
γ=R300/R10=2
Тc=9,2 К
d = 0.25 μm
ρ s = 0.9-1 Ohm / □
γ = R300 / R10 = 2
T c = 9.2 K

Claims (17)

1. Сверхпроводящий прибор Джозефсона на основе многослойной тонкопленочной гетероструктуры, содержащий два слоя сверхпроводника, образующих электроды, и прослойку с металлической проводимостью между ними из легированного металлом полупроводника,
отличающийся тем, что
прослойка имеет локально неоднородную структуру и выполнена с возможностью одновременного образования в ее объеме двух независимых каналов транспорта тока, один из которых представляет собой совокупность цепочек примесных атомов металла, соединяющих оба электрода и образующих квазиодномерные каналы с металлической проводимостью для транспорта сверхпроводящего тока, а другой - состоит из отдельно расположенных примесных атомов металла, образующих локализованные состояния примесных центров и обеспечивающих транспорт нормального туннельного тока, причем упомянутые квазиодномерные каналы представляют собой внутренние шунты для туннельного тока в прослойке.
1. A Josephson superconducting device based on a multilayer thin-film heterostructure containing two layers of a superconductor forming electrodes, and a layer with metal conductivity between them of a metal alloyed semiconductor,
characterized in that
the interlayer has a locally inhomogeneous structure and is configured to simultaneously form two independent current transport channels in its volume, one of which is a set of chains of impurity metal atoms connecting both electrodes and forming quasi-one-dimensional channels with metal conductivity for transporting a superconducting current, and the other consists from separately located impurity metal atoms forming localized states of impurity centers and providing normal transport nnelnogo current, said quasi-one- dimensional channels are internal to the tunnel current shunts in the interlayer.
2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что проводимости каналов транспорта тока предпочтительно равны.2. The device according to claim 1, characterized in that the conductivity of the current transport channels is preferably equal. 3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что каналы состоят из атомов металлов, образующих глубокие примесные уровни в полупроводнике.3. The device according to claim 1, characterized in that the channels are composed of metal atoms forming deep impurity levels in the semiconductor. 4. Прибор по п.1, отличающийся тем, что каналы состоят из атомов тугоплавких металлов, образующих глубокие примесные уровни в полупроводнике.4. The device according to claim 1, characterized in that the channels are composed of atoms of refractory metals forming deep impurity levels in a semiconductor. 5. Прибор по п.1, отличающийся тем, что каналы состоят из кластеров металлов, содержащих по меньшей мере два атома.5. The device according to claim 1, characterized in that the channels consist of metal clusters containing at least two atoms. 6. Прибор по п.1, отличающийся тем, что полупроводник представляет собой аморфный материал.6. The device according to claim 1, characterized in that the semiconductor is an amorphous material. 7. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводника использован кремний, а в качестве легирующей примеси - материал сверхпроводника, либо тугоплавкие металлы, выбранные из группы, содержащей W, Та, Мо.7. The device according to claim 1, characterized in that silicon is used as a semiconductor, and a superconductor material or refractory metals selected from the group consisting of W, Ta, Mo are used as a dopant. 8. Прибор по п.1, отличающийся тем, что каналы состоят из атомов металлов, образующих глубокие примесные уровни в полупроводнике, и кластеров металлов, содержащих по меньшей мере два атома.8. The device according to claim 1, characterized in that the channels consist of metal atoms forming deep impurity levels in the semiconductor and metal clusters containing at least two atoms. 9. Прибор по п.1, отличающийся тем, что прослойка содержит по меньшей мере один слой металла или другого проводящего материала, параллельный границам раздела прослойки и электродов, толщина которого составляет по меньшей мере один атомный слой.9. The device according to claim 1, characterized in that the layer contains at least one layer of metal or other conductive material parallel to the interface between the layer and the electrodes, the thickness of which is at least one atomic layer. 10. Прибор по п.9, отличающийся тем, что металл или другой проводящий материал обладает сверхпроводящими свойствами.10. The device according to claim 9, characterized in that the metal or other conductive material has superconducting properties. 11. Прибор по п.9, отличающийся тем, что металл или другой проводящий материал обладает ферромагнитными или антиферромагнитными свойствами.11. The device according to claim 9, characterized in that the metal or other conductive material has ferromagnetic or antiferromagnetic properties. 12. Способ изготовления сверхпроводящего прибора Джозефсона, включающий последовательное нанесение на подложку первого и второго слоев сверхпроводника, прослойки легированного металлом полупроводника между ними, формируемой путем распыления полупроводника и металла,
отличающийся тем, что
после нанесения первого слоя сверхпроводника подбирают параметры распыления полупроводника и металла из условия формирования проводящей прослойки с локально неоднородной структурой, содержащей в своем объеме соединяющие первый и второй слои сверхпроводника совокупность цепочек из случайно расположенных примесных атомов и не связанные с упомянутыми цепочками отдельно расположенные примесные атомы или кластеры металлов, образующие локализованные примесные центры,
причем концентрацию С примесных атомов или кластеров металла внутри прослойки выбирают из условия:
C2>C>C1, где C1 - концентрация примесных атомов или кластеров, при которой среднее расстояние между ними много больше радиуса локализации; С2 - концентрация примесных атомов или кластеров, при которой среднее расстояние между ними меньше радиуса локализации.
12. A method of manufacturing a Josephson superconducting device, comprising sequentially depositing on the substrate the first and second layers of a superconductor, a layer of metal-doped semiconductor between them, formed by sputtering the semiconductor and metal,
characterized in that
after applying the first layer of the superconductor, the sputtering parameters of the semiconductor and metal are selected from the conditions for the formation of a conducting layer with a locally heterogeneous structure, containing in its volume a combination of chains of randomly located impurity atoms and separately located impurity atoms or clusters not connected with the mentioned chains metals forming localized impurity centers,
moreover, the concentration C of impurity atoms or metal clusters inside the layer is selected from the condition:
C 2 >C> C 1 , where C 1 is the concentration of impurity atoms or clusters at which the average distance between them is much greater than the localization radius; C 2 is the concentration of impurity atoms or clusters at which the average distance between them is less than the localization radius.
13. Способ по п.12, отличающийся тем, что источник распыления полупроводника и металла имеет мишень из полупроводника с заданной концентрацией металлической примеси и/или мозаичную мишень из полупроводника и металла.13. The method according to p. 12, characterized in that the sputtering source of the semiconductor and metal has a semiconductor target with a given concentration of metallic impurities and / or a mosaic target of semiconductor and metal. 14. Способ по п.12, отличающийся тем, что использованы два независимых источника распыления полупроводника и металла.14. The method according to p. 12, characterized in that two independent sources of atomization of the semiconductor and metal are used. 15. Способ по п.12, отличающийся тем, что в качестве полупроводника использован кремний, а в качестве легирующей примеси - материал сверхпроводника, либо тугоплавкие металлы, выбранные из группы, содержащей W, Та, Мо, при этом степень легирования составляет 6-11%.15. The method according to p. 12, characterized in that silicon is used as a semiconductor, and a superconductor material or refractory metals selected from the group consisting of W, Ta, Mo are used as a dopant, and the degree of doping is 6-11 % 16. Способ по п.12, отличающийся тем, что температуру подложки и режимы распыления выбирают из условия образования аморфного полупроводника и исключения образования соединений кристаллических фаз полупроводника с легирующей металлической примесью.16. The method according to p. 12, characterized in that the temperature of the substrate and the spraying conditions are selected from the conditions for the formation of an amorphous semiconductor and the exclusion of the formation of compounds of the crystalline phases of the semiconductor with an alloying metal impurity. 17. Способ по п.12, отличающийся тем, что проводящую прослойку в виде слоистой структуры формируют без разрыва вакуума. 17. The method according to p. 12, characterized in that the conductive layer in the form of a layered structure is formed without breaking the vacuum.
RU2012115033/28A 2012-04-17 2012-04-17 Superconducting josephson instrument and method of its manufacturing RU2504049C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012115033/28A RU2504049C2 (en) 2012-04-17 2012-04-17 Superconducting josephson instrument and method of its manufacturing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012115033/28A RU2504049C2 (en) 2012-04-17 2012-04-17 Superconducting josephson instrument and method of its manufacturing

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012115033A RU2012115033A (en) 2013-10-27
RU2504049C2 true RU2504049C2 (en) 2014-01-10

Family

ID=49446181

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012115033/28A RU2504049C2 (en) 2012-04-17 2012-04-17 Superconducting josephson instrument and method of its manufacturing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2504049C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2599904C1 (en) * 2015-06-29 2016-10-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" METHOD OF MAKING DEVICE WITH SUBMICRON JOSEPHSON π-CONTACT
RU2753673C1 (en) * 2021-02-25 2021-08-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Superconducting circuit with proximity effect
RU2786616C1 (en) * 2022-03-31 2022-12-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук Heterostructure based on the josephson tunnel junction superconductor-insulator-superconductor with integral shutting

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1365456A2 (en) * 2002-05-22 2003-11-26 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Josephson junction
US6734454B2 (en) * 2001-08-27 2004-05-11 The Regents Of The University Of California Internally shunted Josephson junction device
US8032196B2 (en) * 2006-08-23 2011-10-04 Chugoku Electric Power Co., Inc. Josephson device, method of forming Josephson device and superconductor circuit
RU2439749C1 (en) * 2010-10-25 2012-01-10 Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Superconducting device with josephson junction

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6734454B2 (en) * 2001-08-27 2004-05-11 The Regents Of The University Of California Internally shunted Josephson junction device
EP1365456A2 (en) * 2002-05-22 2003-11-26 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Josephson junction
US8032196B2 (en) * 2006-08-23 2011-10-04 Chugoku Electric Power Co., Inc. Josephson device, method of forming Josephson device and superconductor circuit
RU2439749C1 (en) * 2010-10-25 2012-01-10 Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Superconducting device with josephson junction

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Гудков А.Л., Куприянов М.Ю., Лихарев К.К. Свойства джозефсоновских переходов с прослойкой из легированного кремния // ЖЭТФ. - 1988, т.94, вып.7, с.319-332. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2599904C1 (en) * 2015-06-29 2016-10-20 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" METHOD OF MAKING DEVICE WITH SUBMICRON JOSEPHSON π-CONTACT
RU2753673C1 (en) * 2021-02-25 2021-08-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Superconducting circuit with proximity effect
RU2786616C1 (en) * 2022-03-31 2022-12-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук Heterostructure based on the josephson tunnel junction superconductor-insulator-superconductor with integral shutting

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012115033A (en) 2013-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20180247974A1 (en) Superconducting Integrated Circuit
US8200304B2 (en) Josephson junction and Josephson device
WO2017115008A1 (en) A circuit assembly, a system and a method for cooling quantum electric devices
Gudkov et al. Properties of planar Nb/α-Si/Nb Josephson junctions with various degrees of doping of the α-Si layer
Tikhonov et al. Andreev reflection in an s-type superconductor proximized 3D topological insulator
Lacquaniti et al. Analysis of internally shunted Josephson junctions
RU2504049C2 (en) Superconducting josephson instrument and method of its manufacturing
Bhushan et al. Nb/AlO x/Nb trilayer process for the fabrication of submicron Josephson junctions and low‐noise dc SQUIDs
CN105932049B (en) Nanometer diode device and preparation method thereof
JP2021536666A (en) Gradiometric parallel superconducting quantum interference device
Yu et al. Internally shunted Josephson junctions with barriers tuned near the metal–insulator transition for RSFQ logic applications
JPH05206530A (en) High-temperature superconductor josephson junction and its manufacture
Kasumov et al. Anomalous proximity effect in the Nb-BiSb-Nb junctions
US6734454B2 (en) Internally shunted Josephson junction device
Nevirkovets et al. Anomalous critical current in double-barrier Nb/Al–AlOx–Al–AlOx–Nb devices
RU2599904C1 (en) METHOD OF MAKING DEVICE WITH SUBMICRON JOSEPHSON π-CONTACT
US20230136676A1 (en) Superconductive qubit device and manufacturing method thereof
Chen et al. ${\rm MgB} _ {2}/{\rm MgO/MgB} _ {2} $ Josephson Junctions for High-Speed Circuits
RU2786616C1 (en) Heterostructure based on the josephson tunnel junction superconductor-insulator-superconductor with integral shutting
Kalenyuk et al. Submicron-sized MoRe-doped Si-MoRe Josephson junctions with a low specific capacitance
Ramzi et al. Niobium and aluminum Josephson junctions fabricated with a damascene CMP process
RU2554614C2 (en) Josephson 0-pi switch
Gundareva et al. Induced Superconductivity in Hybrid Au/YBa2Cu3O7-x Electrodes on Vicinal Substrates
Shaternik et al. Charge transport with many-electron processes in tunnel junctions with hybrid barriers
US20230210022A1 (en) Fabrication Stack for High Integration Density Superconducting Digital Circuits