RU2581405C1 - Method of producing superconducting multiple-section optical detectors - Google Patents
Method of producing superconducting multiple-section optical detectors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2581405C1 RU2581405C1 RU2015103824/28A RU2015103824A RU2581405C1 RU 2581405 C1 RU2581405 C1 RU 2581405C1 RU 2015103824/28 A RU2015103824/28 A RU 2015103824/28A RU 2015103824 A RU2015103824 A RU 2015103824A RU 2581405 C1 RU2581405 C1 RU 2581405C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- superconducting
- niobium
- sections
- accelerated particles
- nanowires
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 7
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims abstract description 44
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 33
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 7
- CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N azanylidyneniobium Chemical compound [Nb]#N CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- UNASZPQZIFZUSI-UHFFFAOYSA-N methylidyneniobium Chemical compound [Nb]#C UNASZPQZIFZUSI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 10
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 10
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 claims description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 claims description 8
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 7
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 7
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 claims description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910000484 niobium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N niobium(5+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Nb+5].[Nb+5] URLJKFSTXLNXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 3
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 claims 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000011112 process operation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 9
- 239000010408 film Substances 0.000 description 8
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 8
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- -1 niobium metal oxide Chemical class 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical group [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003086 Ti–Pt Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000005422 blasting Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- ZNKMCMOJCDFGFT-UHFFFAOYSA-N gold titanium Chemical compound [Ti].[Au] ZNKMCMOJCDFGFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000005329 nanolithography Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- UUWCBFKLGFQDME-UHFFFAOYSA-N platinum titanium Chemical compound [Ti].[Pt] UUWCBFKLGFQDME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001258 titanium gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/80—Constructional details
- H10N60/85—Superconducting active materials
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B1/008—Nanostructures not provided for in groups B82B1/001 - B82B1/007
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области сверхпроводниковой микроэлектроники, в частности к изготовлению сверхпроводниковых датчиков излучения, которые могут быть использованы в оптических устройствах, электротехнической, радиотехнической, медицинской и других отраслях науки и техники, в частности для безконтактного тестирования полупроводниковых интегральных микросхем, исследования излучения квантовых точек и в системах квантовой криптографии.The invention relates to the field of superconducting microelectronics, in particular to the manufacture of superconducting radiation sensors that can be used in optical devices, electrical, radio engineering, medical and other branches of science and technology, in particular for contactless testing of semiconductor integrated circuits, studies of quantum dot radiation and in quantum cryptography systems.
Технология изготовления сверхпроводниковых туннельных переходов, джозефсоновских переходов, структур типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), структур сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН), болометров на холодных электронах описывается в RU 2442246 [1]. Способ изготовления устройств с тонкопленочными сверхпроводниковыми переходами предусматривает нанесение поддерживающего и основного резиста, экспозицию, проявление этих слоев резиста, напыление первого слоя нормального металла или сверхпроводника под прямым углом к подложке, окисление для формирования туннельного барьера, напыление второго слоя пленки сверхпроводника под углом к нормали, взрывание резиста. Напыление верхней пленки сверхпроводника производится под двумя разными углами +φ и -φ с разных сторон от нормали так, что обе пленки сверхпроводника перекрывают необходимый зазор и образуют единый сверхпроводящий слой. Между нормальным металлом и сверхпроводником формируется туннельный контакт, при этом углы нанесения выбирают по формуле tgA≤φt/(L+w), где t=t1+t2 суммарная толщина двухслойного резиста, w ширина нижнего электрода, L - глубина подтрава. Недостатком известного способа является то, что он обеспечивает формирование переходов относительно большой площади. Кроме того, как и во всех литографических процессах возникает проблема совмещения топологий на различных стадиях процесса.The manufacturing technology of superconducting tunnel junctions, Josephson junctions, superconductor-insulator-superconductor (SIS) structures, superconductor-insulator-normal metal (SIN) structures, and cold electron bolometers is described in RU 2442246 [1]. A method of manufacturing devices with thin-film superconducting junctions involves applying a supporting and main resist, exposure, manifestation of these resist layers, spraying the first layer of a normal metal or superconductor at right angles to the substrate, oxidation to form a tunnel barrier, spraying the second layer of the superconductor film at an angle to the normal, blasting resist. The upper superconductor film is sprayed at two different angles + φ and -φ from different sides of the normal so that both films of the superconductor overlap the necessary gap and form a single superconducting layer. A tunnel contact is formed between a normal metal and a superconductor, while the deposition angles are selected by the formula tgA≤φt / (L + w), where t = t 1 + t 2 is the total thickness of the two-layer resist, w is the width of the lower electrode, and L is the depth of the substrate. The disadvantage of this method is that it provides the formation of transitions over a relatively large area. In addition, as in all lithographic processes, the problem of combining topologies at various stages of the process arises.
Известен способ формирования пленочного микромостика, включающий нанесение пленки ВТСП-материала и формирование путем фотолитографии дорожки со слабой связью, сверхпроводимость в области слабой связи дополнительно подавляют облучением дорожки сфокусированным электронным лучом (RU 2080693 [2]). В результате, поперек дорожки формируется узкая, шириной 0,8-1 мкм, область с подавленной сверхпроводимостью. Недостатком данного способа является то, что размер активной зоны велик. Устойчивые и воспроизводимые технические характеристики в подобных устройствах достигаются при размерах активной зоны менее 100 нм.A known method of forming a film microbridge, including applying a film of HTSC material and forming a weakly bound track by photolithography, superconductivity in the weak-bond region is additionally suppressed by irradiating the track with a focused electron beam (RU 2080693 [2]). As a result, a narrow, 0.8-1 μm wide, region with suppressed superconductivity is formed across the track. The disadvantage of this method is that the size of the active zone is large. Stable and reproducible technical characteristics in such devices are achieved with core sizes less than 100 nm.
Известен способ изготовления сверхпроводникового однофотонного детектора (RU 2476373 [3]), который включает формирование на диэлектрической подложке канала проводимости из нитрида ниобия любым из известных методов толщиной не более 20 нм, но не менее толщины, приводящей к нарушению сплошности, и с шириной не более 350 нм и его последующее облучение потоком ускоренных частиц в присутствии кислорода. В качестве ускоренных частиц используют атомы водорода или протоны, ионы или атомы гелия, ионы или атомы кислорода или смеси перечисленных частиц с энергией от 0,5 до 5,0 кэВ. В качестве подложки используют лейкосапфир. В результате облучения потоком ускоренных частиц происходит локальное изменение химического состава, что приводит к возникновению различного рода искажений в кристаллической решетке облучаемого материала (нитрида ниобия) в силу значительных различий объемной плотности нитрида и оксида ниобия что может способствовать возникновению поликристалличности в исходном монокристаллическом материале. Появление поликристалличности приводит к сильному разупорядочению сверхпроводника за счет возникновения межкристаллитных состояний. Данные состояния становятся ощутимы в транспорте сверхтока, а именно сверхток через такие межкристалитные связи может протекать туннельно либо обтекать их. Эффективно это приводит к искусственному заужению канала проводимости в каком-либо из сечений сверхпроводящей полоски. То есть сечение трубки тока после облучения становится меньше, что, собственно, и приводит к увеличению вероятности детектирования, а соответственно к увеличению квантовой эффективности детектирования одиночных фотонов. Данный способ разработан для изготовления односекционных сверхпроводниковых однофотонных детекторов. Чувствительный элемент в известном устройстве представляет собой узкую полоску из тонкой пленки сверхпроводника, изготовленного в виде меандра заполняющего прямоугольную площадку соответствующего размера адаптированного под размер оптического канала. Ограничением известного сверхпроводникового детектора является значительная величина кинетической индуктивности, существенно ограничивающая быстродействие детектора. Для повышения быстродействия детектора было предложено выполнять его в виде нескольких параллельно включенных секций, подключенных через резисторы (см. например RU 2327253[4]). Помимо увеличения быстродействия такого детектора был обнаружен эффект разрешения количества фотонов в коротких световых импульсах. В основе такого типа детектора лежит принцип пространственной локализации фотона в момент его поглощения в сверхпроводниковом нанопроводе. Принцип работы в этом случае состоит в следующем. В момент прихода одного фотона в коротком световом импульсе срабатывает только одна секция, при падении двух фотонов срабатывает две секции и так далее. В зависимости от количества поглощенных фотонов амплитуда сигнала разная, отслеживая ее можно различать количество фотонов в световых импульсах. Если создать чувствительный элемент детектора в виде параллельно подключенных секций на основе нанопроводов, то возникает возможность различать количество поглощаемых фотонов чувствительным элементом такого детектора. В случае, когда фотон поглощается любой, но одной секцией детектора, наблюдается сигнал определенной амплитуды; в момент поглощения фотонов любыми двумя секциями наблюдается сигнал удвоенной амплитуды и т.д. Важным условием работоспособности такого детектора являются интегрированные нанорезисторы, работающие как токоограничители между отдельными секциями. Так как устройство является криогенным, то требования к нанорезисторам весьма жесткие. Прежде всего, это связанно с требованиями к качеству омического контакта между нанорезистором и чувствительным элементом (отдельной секцией), размеру и плотности заполнения нанорезисторов, а также расстоянию от резистора до отдельной секции.A known method of manufacturing a superconducting single-photon detector (RU 2476373 [3]), which includes the formation on the dielectric substrate of the conduction channel of niobium nitride by any of the known methods with a thickness of not more than 20 nm, but not less than the thickness leading to discontinuity, and with a width of not more 350 nm and its subsequent irradiation with a stream of accelerated particles in the presence of oxygen. As accelerated particles, hydrogen atoms or protons, ions or helium atoms, ions or oxygen atoms, or mixtures of these particles with energies from 0.5 to 5.0 keV are used. As a substrate, leucosapphire is used. As a result of irradiation with a stream of accelerated particles, a local change in the chemical composition occurs, which leads to various kinds of distortions in the crystal lattice of the irradiated material (niobium nitride) due to significant differences in the bulk density of niobium nitride and niobium oxide, which can contribute to polycrystallinity in the initial single-crystal material. The appearance of polycrystallinity leads to a strong disordering of the superconductor due to the appearance of intercrystalline states. These states become noticeable in the transport of overcurrent, namely, the overcurrent through such intercrystallite connections can flow through a tunnel or flow around them. Effectively, this leads to an artificial narrowing of the conduction channel in any of the sections of the superconducting strip. That is, the cross section of the current tube after irradiation becomes smaller, which, in fact, leads to an increase in the probability of detection, and, accordingly, to an increase in the quantum efficiency of detection of single photons. This method is designed for the manufacture of single-section superconducting single-photon detectors. The sensing element in the known device is a narrow strip of a thin film of a superconductor made in the form of a meander filling a rectangular area of an appropriate size adapted to the size of the optical channel. A limitation of the known superconducting detector is a significant kinetic inductance, significantly limiting the speed of the detector. To increase the speed of the detector, it was proposed to perform it in the form of several parallel-connected sections connected through resistors (see, for example, RU 2327253 [4]). In addition to increasing the speed of such a detector, the effect of resolving the number of photons in short light pulses was discovered. This type of detector is based on the principle of spatial localization of a photon at the moment of its absorption in a superconducting nanowire. The principle of operation in this case is as follows. At the moment of arrival of one photon in a short light pulse, only one section is triggered, when two photons are incident, two sections are triggered, and so on. Depending on the number of absorbed photons, the signal amplitude is different, tracking it, you can distinguish the number of photons in light pulses. If you create a sensitive element of the detector in the form of parallel-connected sections based on nanowires, it becomes possible to distinguish the number of absorbed photons by the sensitive element of such a detector. In the case when the photon is absorbed by any, but one section of the detector, a signal of a certain amplitude is observed; at the moment of photon absorption by any two sections, a signal of doubled amplitude is observed, etc. An important condition for the operability of such a detector is integrated nanoresistors operating as current limiters between individual sections. Since the device is cryogenic, the requirements for nanoresistors are very stringent. First of all, this is connected with the requirements for the quality of the ohmic contact between the nanoresistor and the sensing element (separate section), the size and density of the nanoresistors, and also the distance from the resistor to the separate section.
В настоящее время нанорезисторы изготавливают набором стандартных методов с использованием технологии нанесения слоя золота [4] или металлических слоев титана или золота (CN 102353464 [5]). Этот метод - единственный, который предлагается при создании резисторов, работающих при температурах жидкого гелия, так как только Ti-Au или Ti-Pt может обеспечить необходимый номинал резистора при разработке конечного устройства.Currently, nanoresistors are manufactured using a set of standard methods using the technology of applying a gold layer [4] or metal layers of titanium or gold (CN 102353464 [5]). This method is the only one that is proposed when creating resistors operating at liquid helium temperatures, since only Ti-Au or Ti-Pt can provide the required resistor rating when developing the final device.
Наиболее близким к заявляемому является способ, описанный в [5], который предусматривает изготовление полированной с двух сторон подложки из сапфира или окиси кремния, на которую наносят тонкий слой сверхпроводящей пленки (толщина пленки 2~8 нм.) Из нее методом электронно-лучевой литографии получают несколько структур с конфигурацией многосекционного меандра. В качестве токоограничителя отдельных секций в момент поглощения фотона используются нанорезисторы, изготовленные из тонкой многослойной пленки титан-золота или титан-платина, получаемые любыми методами осаждения.Closest to the claimed one is the method described in [5], which involves the manufacture of a sapphire or silicon oxide substrate polished on both sides, onto which a thin layer of a superconducting film is applied (
Такой технологии присущи следующие недостатки:Such technology has the following disadvantages:
1) Необходимость большого количества технологических этапов, проблемы с межслоевым совмещением элементов, включающие в себя нанолитографию, осаждение и травление.1) The need for a large number of technological steps, problems with interlayer alignment of elements, including nanolithography, deposition, and etching.
2) Невысокое качество омического контакта.2) Low quality ohmic contact.
3) Все технологические операции должны быть в одном процессе без нарушения вакуума.3) All technological operations should be in one process without breaking the vacuum.
4) Требования ограничения на топологию электрической схемы.4) The requirements of the restrictions on the topology of the electrical circuit.
5) Ограничение на плотность заполнения наноэлементов элементов и их размеров.5) Restriction on the density of filling of nanoelements of elements and their sizes.
Все эти недостатки приводят в итоге к некачественному конечному устройству. Прежде всего, это сказывается на выходе, годного на уровне нескольких процентов. Все детекторы на основе сверхпроводящих нанопроводов работают в режиме высокой плотности тока, а наличие некачественного омического контакта может приводить к сильному Джоулеву разогреву и, как результат, некорректной работе конечного устройства.All these shortcomings result in a poor-quality end device. First of all, this affects the yield, suitable at the level of several percent. All detectors based on superconducting nanowires operate in a high current density mode, and the presence of poor-quality ohmic contact can lead to strong Joule heating and, as a result, incorrect operation of the final device.
Заявляемый способ изготовления сверхпроводящих многосекционных оптических детекторов направлен на создание нанорезисторов с высокими эксплуатационными характеристиками и меньшим количеством технологических операций.The inventive method of manufacturing a superconducting multi-sectional optical detectors is aimed at creating nanoresistors with high performance and fewer technological operations.
Указанный результат достигается тем, что способ изготовления сверхпроводящих многосекционных оптических детекторов включает формирование отдельных секций из сверхпроводящих нанопроводов, образующих рисунок в виде многосекционного меандра, и сверхпроводящих соединительных проводов с интегрированными нанорезисторами, работающие как токоограничители для соединения секций с контактными площадками. При этом токоограничители формируют путем нанесения на сформированную структуру защитной резистивной маски, вскрытия в ней окон над отрезками соединительных проводов меандра с контактной площадкой и преобразованием их в несверхпроводящие за счет селективного изменения атомного состава воздействием пучка ускоренных частиц через защитную маску. Топология (длина и ширина) окна в резистивной маске определяет номинал резистора - токоограничителя.This result is achieved in that the method of manufacturing superconducting multisection optical detectors includes the formation of separate sections from superconducting nanowires, forming a pattern in the form of a multisection meander, and superconducting connecting wires with integrated nanoresistors, acting as current limiters for connecting sections to contact pads. In this case, current limiters are formed by applying a protective resistive mask to the formed structure, opening windows in it above the segments of the connecting wires of the meander with the contact area and converting them into non-superconducting ones due to the selective change in the atomic composition by the action of an accelerated particle beam through a protective mask. The topology (length and width) of the window in the resistive mask determines the value of the resistor - current limiter.
Указанный результат достигается также тем, что соединительные нанопровода формируют из нитрида ниобия, а преобразование выбранных участков в несверхпроводящие осуществляют путем селективного замещения атомов азота на атомы кислорода путем воздействия пучком ускоренных частиц через защитную маску до получения металлического оксида ниобия.The indicated result is also achieved by the fact that the connecting nanowires are formed from niobium nitride, and the conversion of selected sites to nonsuperconducting is carried out by selective replacement of nitrogen atoms by oxygen atoms by applying a beam of accelerated particles through a protective mask to obtain niobium metal oxide.
Указанный результат достигается также тем, что соединительные нанопровода формируют из нитрида ниобия, а преобразование выбранных участков в несверхпроводящие осуществляют путем селективного удаления атомов азота путем воздействия пучком ускоренных частиц через защитную маску до получения металлического ниобия.The indicated result is also achieved by the fact that the connecting nanowires are formed from niobium nitride, and the conversion of selected sites to nonsuperconducting is carried out by selective removal of nitrogen atoms by exposing the beam of accelerated particles through a protective mask to obtain metallic niobium.
Указанный результат достигается также тем, что соединительные нанопровода формируют из карбида ниобия, а преобразование выбранных участков в несверхпроводящие осуществляют путем селективного удаления атомов углерода путем воздействия пучком ускоренных частиц через защитную маску до получения металлического ниобия.The indicated result is also achieved by the fact that the connecting nanowires are formed from niobium carbide, and the conversion of selected sites to nonsuperconducting is carried out by selective removal of carbon atoms by exposure to a beam of accelerated particles through a protective mask to obtain metallic niobium.
Указанный результат достигается также тем, что нанопровод формируют из карбида ниобия, а преобразование выбранных участков в несверхпроводящие осуществляют путем селективного замещения атомов углерода на атомы кислорода путем воздействия ускоренных частиц через защитную маску в присутствии кислорода в реакционном объеме до получения металлического оксида ниобия.The indicated result is also achieved by the fact that the nanowire is formed from niobium carbide, and the conversion of selected sites to non-superconducting is carried out by selective replacement of carbon atoms by oxygen atoms by the action of accelerated particles through a protective mask in the presence of oxygen in the reaction volume to obtain niobium metal oxide.
Указанный результат достигается также тем, что облучение нанопровода осуществляют пучком ускоренных частиц через защитную маску, наклоненную под углом к оси пучка.The indicated result is also achieved by the fact that the nanowire is irradiated with a beam of accelerated particles through a protective mask, inclined at an angle to the axis of the beam.
Указанный результат достигается также тем, что в качестве ускоренных частиц используют протоны или атомы водорода.The indicated result is also achieved by the fact that protons or hydrogen atoms are used as accelerated particles.
Указанный результат достигается также тем, что энергию частиц и время воздействия ускоренным пучком на выбранные участки нанопровода подбирают расчетным путем или экспериментально в зависимости от вещества нанопровода и требуемого состава разделительного несверхпроводящего участка.This result is also achieved by the fact that the energy of the particles and the time of exposure to the selected sections of the nanowire by an accelerated beam are selected by calculation or experimentally, depending on the substance of the nanowire and the required composition of the separation non-superconducting section.
Преобразование участков нанопровода, выполненных из веществ, обладающих сверхпроводящими свойствами, в несверхпроводящие в выбранных разделительных участках, выполняющих роль токоограничителей за счет селективного изменения атомного состава путем воздействия пучком ускоренных частиц через защитную маску, позволяет за одну операцию и одновременно сформировать все токоограничители, наличие которых предусмотрено схемным решением изготавливаемого прибора, что обеспечивает высокую производительность процесса. Облучение через открытые участки сформированной на нанопроводах маски потоком ускоренных протонов или атомов водорода позволяет обеспечить преобразование этих участков нанопровода, выполненных из веществ, обладающих сверхпроводящими свойствами в несверхпроводящие. Наиболее целесообразным представляется использование в различных вариантах реализации предлагаемого способа для формирования нанопроводов из нитрида ниобия или из карбида ниобия и, соответственно, обеспечивать селективное удаление атомов азота или атомов углерода или обеспечивать селективную замену атомов азота на атомы кислорода, или атомов углерода на атомы кислорода. В частных случаях реализации целесообразно осуществлять облучение нанопровода пучком ускоренных частиц через защитную маску, наклоненную под углом к оси пучка. Это позволяет даже при относительно «больших» размерах окон в защитной маске существенно уменьшить размеры подвергаемых преобразованию участков.The conversion of sections of a nanowire made of substances with superconducting properties to non-superconducting in selected separation sections that play the role of current limiters due to the selective change in atomic composition by applying a beam of accelerated particles through a protective mask allows for the formation of all current limiters in one operation, which are provided for the circuit solution of the manufactured device, which ensures high performance of the process. Irradiation through open sections of the mask formed on nanowires by a stream of accelerated protons or hydrogen atoms allows the conversion of these sections of the nanowire made of substances with superconducting properties into non-superconducting ones. It seems most appropriate to use in various embodiments of the proposed method for the formation of nanowires from niobium nitride or niobium carbide and, accordingly, to provide selective removal of nitrogen atoms or carbon atoms or to provide selective replacement of nitrogen atoms by oxygen atoms, or carbon atoms by oxygen atoms. In special cases of implementation, it is advisable to irradiate the nanowire with a beam of accelerated particles through a protective mask, inclined at an angle to the axis of the beam. This allows even with relatively "large" sizes of windows in the protective mask to significantly reduce the size of the sections being transformed.
Наиболее эффективно использовать для преобразования веществ, обладающих сверхпроводящими свойствами, в несверхпроводящие путем использования в качестве ускоренных частиц протонов или атомов водорода. Для того чтобы эффективно осуществлять указанные преобразования целесообразно энергию частиц и время воздействия ускоренным пучком на выбранные участки нанопровода подбирать расчетным путем или экспериментально в зависимости от вещества нанопровода и требуемого состава токоограничителя (разделительного несверхпроводящего участка), обеспечивающего требуемый номинал резистора. Либо создание номинала нанорезистора - токоограничителя за счет изменения топологии (длины и ширины) окон, через которые происходит модификация исходного материала при фиксированных параметрах облучения.It is most effective to use for the conversion of substances with superconducting properties into non-superconducting ones by using protons or hydrogen atoms as accelerated particles. In order to effectively carry out these transformations, it is advisable to select the particle energy and the time of exposure to the selected sections of the nanowire by the accelerated beam by calculation or experimentally, depending on the substance of the nanowire and the required composition of the current limiter (isolating non-superconducting section) that provides the required resistor value. Or the creation of the value of a nanoresistor - current limiter due to a change in the topology (length and width) of the windows through which the modification of the starting material occurs with fixed exposure parameters.
Данный метод позволяет создавать любые номиналы токоограничителей в сверхпроводниковых нанопроводах, поскольку условия облучения позволяют управлять электрическими свойствами облучаемого материала, то есть материал может проявлять себя как диэлектрик или как металл в зависимости от соотношения кислорода и азота в модифицированной области.This method allows you to create any values of current limiters in superconducting nanowires, since the irradiation conditions allow you to control the electrical properties of the irradiated material, that is, the material can manifest itself as a dielectric or as a metal depending on the ratio of oxygen and nitrogen in the modified region.
Также данный метод является технологически простым, так как исключает множество стандартных технологических операций, которые в свою очередь очень сильно влияют на выход годных и на производительность технологии.Also, this method is technologically simple, since it eliminates many standard technological operations, which in turn greatly affect the yield and technology performance.
Сущность заявляемого способа поясняется примерами осуществления и графическими материалами, поясняющими процесс реализации.The essence of the proposed method is illustrated by examples of implementation and graphic materials explaining the implementation process.
На фиг. 1-3 представлены схематично (в плане) некоторые стадии процесса реализации: 1 - заготовка со сформированными секциями, параллельно соединенными с контактными площадками с помощью нанопроводов; 2 - заготовка с нанесенной маской с вскрытыми окнами; 3 - заготовка со сформированными в нанопроводах токоограничителями (нанорезисторами). На фиг. 2 показан вариант реализации способа с облучением нанопровода, осуществляемого пучком ускоренных частиц через защитную маску, наклоненную под углом к оси пучка (направление потока ускоренных частиц показано стрелками).In FIG. 1-3, some stages of the implementation process are schematically (in terms of): 1 - a workpiece with formed sections parallel connected to the contact pads using nanowires; 2 - blank with a mask with open windows; 3 - blank with current limiters (nanoresistors) formed in nanowires. In FIG. Figure 2 shows an embodiment of a method with irradiation of a nanowire carried out by a beam of accelerated particles through a protective mask inclined at an angle to the axis of the beam (the direction of flow of accelerated particles is shown by arrows).
Пример 1. В самом общем случае способ осуществляется следующим образом. На подложке 1, выполненной из диэлектрика (лейкосапфира, оксидируемого кремния, нитрида кремния и др.), формируют заготовку прибора путем изготовления на ней любым из известных способов из нанопроводов 2 из сверхпроводящего вещества, состоящего из нескольких отдельных секций 3 в виде меандра, и параллельно соединенных с контактными площадками 4 с помощью нанопроводов 5. На заготовку с сформированными на ней любым из известных способов нанопроводами 2 и 5 из сверхпроводящего вещества наносят защитную маску 6 с выполненными в ней окнами 7 над соединительными нанопроводами 5 и помещают в рабочую камеру, где подвергают облучению пучком ускоренных частиц. В результате облучения в веществе нанопровода происходит селективное изменение атомного состава сверхпроводящего вещества, что приводит к переходу этого вещества в несверхпроводящее состояние. Таким образом, токоограничитель (нанорезистор) 8 оказывается сформированным.Example 1. In the most General case, the method is as follows. On a
Пример 2. Способ реализовывался следующим образом. В камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка (заготовка) 1 с изготовленными на ней секциями из нанопроводов из нитрида ниобия 2 и соединительных нанопроводов 5, заданные участки которых должны преобразоваться под воздействием потока ускоренных протонов.Example 2. The method was implemented as follows. In the chamber of the technological installation, a substrate (preform) 1 is installed on the
Поверх размещается маска 6 с требуемым рисунком (с вскрытыми окнами 7), изготавливаемая по любой из известных технологий. Заготовка облучается протонами с расчетной энергией в диапазоне 0,1-4,5 кэВ до дозы, соответствующей минимальному значению, достаточному для требуемого частичного или полного удаления атомов азота из нитрида ниобия без маски. Соответствующее значение минимальной дозы облучения определяется заранее экспериментальным или расчетным путем. В результате взаимодействия материала с потоком ускоренных частиц под окнами 7 в маске 6 происходит требуемый частичный или полный переход нитрида ниобия в металлический ниобий, т.е переход в несверхпроводящее состояние при рабочей температуре. Таким образом, токоограничитель (нанорезистор) 8 оказывается сформированным.On top of the mask is placed 6 with the desired pattern (with open windows 7), manufactured by any of the known technologies. The workpiece is irradiated with protons with a calculated energy in the range of 0.1-4.5 keV to a dose corresponding to the minimum value sufficient for the required partial or complete removal of nitrogen atoms from niobium nitride without a mask. The corresponding value of the minimum radiation dose is determined in advance experimentally or by calculation. As a result of the interaction of the material with the flow of accelerated particles under the
Пример 3. Способ реализовывался следующим образом. В камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка (заготовка) 1 с изготовленными на ней секциями 3 из нанопроводов из нитрида ниобия 2 и соединительных нанопроводов 5, заданные участки которых должны преобразоваться под воздействием потока ускоренных протонов. Поверх размещается маска 6 с требуемым рисунком, изготавливаемая по любой из известных технологий. Заготовка облучается ускоренными частицами в присутствии кислорода с расчетной энергией, соответствующей минимальному значению, достаточному для частичного или полного замещения атомов азота из нитрида ниобия на атомы кислорода на участках, не закрытых маской. Соответствующее значение минимальной дозы облучения определяется заранее экспериментальным или расчетным путем. В результате взаимодействия материала с потоком ускоренных частиц под окнами 7 в маске 6 происходит частичный или полный переход нитрида ниобия в металлический оксид ниобия, т.е переход в несверхпроводящее состояние. Таким образом, токоограничитель (нанорезистор) 8 оказывается сформированным.Example 3. The method was implemented as follows. A substrate (blank) 1 with
Пример 4. Способ реализовывался следующим образом. В камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка (заготовка) 1 с изготовленными на ней секциями 3 из нанопроводов из карбида ниобия 2 и соединительных нанопроводов 5, заданные участки которых должны преобразоваться под воздействием потока ускоренных протонов.Example 4. The method was implemented as follows. In the chamber of the technological installation, a substrate (blank) 1 with
Поверх размещается маска 6 с требуемым рисунком, изготавливаемая по любой из известных технологий. Заготовка облучается протонами с расчетной энергией в диапазоне 0,1-4,5 кэВ до дозы, соответствующей минимальному значению, достаточному для частичного или полного удаления атомов углерода из карбида ниобия на участках, не защищенных маской. Соответствующее значение минимальной дозы облучения определяется заранее экспериментальным или расчетным путем. В результате взаимодействия материала с потоком ускоренных частиц под окнами 7 в маске 6 происходит частичный или полный переход карбида ниобия в ниобий, т.е переход в несверхпроводящее состояние при рабочей температуре. Таким образом, токоограничитель (нанорезистор) 8 оказывается сформированным.On top is a
Пример 5. Способ реализовывался следующим образом. В камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка (заготовка) 1 с изготовленными на ней секциями 3 из нанопроводов из карбида ниобия 2 и соединительных нанопроводов 5, заданные участки которых преобразуется под воздействием потока ускоренных атомов водорода в присутствии кислорода.Example 5. The method was implemented as follows. In the chamber of the technological installation, a substrate (preform) 1 is installed on the
Поверх размещается маска 6 с требуемым рисунком, изготавливаемая по любой из известных технологий. Заготовка облучается атомами водорода в присутствии кислорода с расчетной энергией в диапазоне 0,1-4,5 кэВ до дозы, соответствующей минимальному значению, достаточному для требуемого частичного или полного удаления атомов азота из карбида ниобия на участках, не защищенных маской. Соответствующее значение минимальной дозы облучения определяется заранее экспериментальным или расчетным путем. В результате взаимодействия материала с потоком ускоренных частиц под окнами 7 в маске 6 происходит частичный или полный переход карбида ниобия в оксид ниобия, т.е. переход в несверхпроводящее состояние. Таким образом, токоограничитель (нанорезистор) 8 оказывается сформированным.On top is a
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015103824/28A RU2581405C1 (en) | 2015-02-05 | 2015-02-05 | Method of producing superconducting multiple-section optical detectors |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015103824/28A RU2581405C1 (en) | 2015-02-05 | 2015-02-05 | Method of producing superconducting multiple-section optical detectors |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2581405C1 true RU2581405C1 (en) | 2016-04-20 |
Family
ID=56194799
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015103824/28A RU2581405C1 (en) | 2015-02-05 | 2015-02-05 | Method of producing superconducting multiple-section optical detectors |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2581405C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU176010U1 (en) * | 2017-05-17 | 2017-12-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Fiber-optic superconducting single-photon detector |
| RU2645167C2 (en) * | 2016-07-19 | 2018-02-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт") | Method for creating an integrated cryogenic power adapter on one chip within one technological process |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2080693C1 (en) * | 1992-05-19 | 1997-05-27 | Минский радиотехнический институт | Method for generation of film jumpers from high- temperature superconductors |
| US6365912B1 (en) * | 1998-06-17 | 2002-04-02 | Isis Innovation Limited | Superconducting tunnel junction device |
| US6815708B1 (en) * | 1999-08-16 | 2004-11-09 | Japan Science And Technology Agency | Optical superconducting device |
| RU2327253C2 (en) * | 2006-08-15 | 2008-06-20 | Закрытое акционерное общество "Сверхпроводящие нанотехнологии" (ЗАО "Сконтел") | Quick-response superconducting single photon detector with stripe resistors |
| CN102353464A (en) * | 2011-07-14 | 2012-02-15 | 清华大学 | Superconductive nanowire single-photon detector capable of distinguishing photon number and preparation method thereof |
| RU2476373C1 (en) * | 2011-06-16 | 2013-02-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт") | Method of making superconducting single-photon detectors |
-
2015
- 2015-02-05 RU RU2015103824/28A patent/RU2581405C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2080693C1 (en) * | 1992-05-19 | 1997-05-27 | Минский радиотехнический институт | Method for generation of film jumpers from high- temperature superconductors |
| US6365912B1 (en) * | 1998-06-17 | 2002-04-02 | Isis Innovation Limited | Superconducting tunnel junction device |
| US6815708B1 (en) * | 1999-08-16 | 2004-11-09 | Japan Science And Technology Agency | Optical superconducting device |
| RU2327253C2 (en) * | 2006-08-15 | 2008-06-20 | Закрытое акционерное общество "Сверхпроводящие нанотехнологии" (ЗАО "Сконтел") | Quick-response superconducting single photon detector with stripe resistors |
| RU2476373C1 (en) * | 2011-06-16 | 2013-02-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт") | Method of making superconducting single-photon detectors |
| CN102353464A (en) * | 2011-07-14 | 2012-02-15 | 清华大学 | Superconductive nanowire single-photon detector capable of distinguishing photon number and preparation method thereof |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2645167C2 (en) * | 2016-07-19 | 2018-02-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт") | Method for creating an integrated cryogenic power adapter on one chip within one technological process |
| RU176010U1 (en) * | 2017-05-17 | 2017-12-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Fiber-optic superconducting single-photon detector |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6885325B2 (en) | Sub-flux quantum generator | |
| Curtz et al. | Patterning of ultrathin YBCO nanowires using a new focused-ion-beam process | |
| US8200304B2 (en) | Josephson junction and Josephson device | |
| JP2509964B2 (en) | Superconducting device and manufacturing method thereof | |
| US20070040191A1 (en) | Nanowire structures and electrical devices | |
| WO2017137248A1 (en) | Method for obtaining a graphene-based fet, in particular a memory fet, equipped with an embedded dielectric element made by fluorination | |
| RU2581405C1 (en) | Method of producing superconducting multiple-section optical detectors | |
| JP2552371B2 (en) | Radiation detection element and Josephson element | |
| RU2541679C1 (en) | Method of superconductive nanoelements manufacturing with tunnel or josephson junctions | |
| Born et al. | Fabrication of ultrasmall tunnel junctions by electron beam direct-writing | |
| Amari et al. | Scalable nanofabrication of high-quality YBa 2 Cu 3 O 7− δ nanowires for single-photon detectors | |
| RU2645167C2 (en) | Method for creating an integrated cryogenic power adapter on one chip within one technological process | |
| Milostnaya et al. | Superconducting single photon nanowire detectors development for IR and THz applications | |
| Kang et al. | Realization and properties of MgB 2 metal-masked ion damage junctions | |
| Gurovich et al. | Control of superconducting transitions in nanowires using galvanically uncoupled gates for designing superconductor-based electronic devices | |
| Melbourne | Magnesium Diboride Devices and Applications | |
| Zugliani et al. | Tailoring Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors for Quantum Technologies | |
| RU2786616C1 (en) | Heterostructure based on the josephson tunnel junction superconductor-insulator-superconductor with integral shutting | |
| Kajino et al. | Preparation of Narrowed ${\rm YBa} _ {2}{\rm Cu} _ {3}{\rm O} _ {7-{\rm x}} $ Nanobridges Down to 30 nm With Reduced Degradation | |
| Li et al. | Minimal lateral damage fabrication of high-temperature superconducting nanowires via focused helium ion beam irradiation | |
| JP2004111751A (en) | Superconductive tunnel junction element | |
| Born et al. | Superconducting tunnel junction structures designed for qubit realizations | |
| Prochazka et al. | Investigation of Dark Counts in Innovative Materials for Superconducting Nanowire Single-photon Detector Applications | |
| JPH0537030A (en) | Superconductive rectifying device | |
| Hagedorn et al. | An SNS technology process for ramp junction based digital superconducting circuits |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20170609 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: SUB-LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180322 Effective date: 20180322 |