RU2786616C1 - Heterostructure based on the josephson tunnel junction superconductor-insulator-superconductor with integral shutting - Google Patents
Heterostructure based on the josephson tunnel junction superconductor-insulator-superconductor with integral shutting Download PDFInfo
- Publication number
- RU2786616C1 RU2786616C1 RU2022108613A RU2022108613A RU2786616C1 RU 2786616 C1 RU2786616 C1 RU 2786616C1 RU 2022108613 A RU2022108613 A RU 2022108613A RU 2022108613 A RU2022108613 A RU 2022108613A RU 2786616 C1 RU2786616 C1 RU 2786616C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- niobium
- junction
- superconductor
- sis
- Prior art date
Links
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 40
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- YENWHDHPCQNHJJ-UHFFFAOYSA-N aluminum;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Al+3] YENWHDHPCQNHJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 53
- 239000010408 film Substances 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000002048 anodisation reaction Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 4
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic Effects 0.000 description 3
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910017107 AlOx Inorganic materials 0.000 description 2
- 101700063564 UNIV Proteins 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 241000238366 Cephalopoda Species 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000003121 nonmonotonic Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области сверхпроводниковой микроэлектроники и может быть использовано для создания генераторов и приемников излучения ТГц и суб-ТГц диапазона, сверхпроводниковых квантовых интерферометров (СКВИДов), одноквантовых цифровых устройств.The invention relates to the field of superconducting microelectronics and can be used to create generators and receivers of THz and sub-THz radiation, superconducting quantum interferometers (SQUIDs), single-quantum digital devices.
Из уровня техники известны различные устройства с использованием гетероструктур на основе джозефсоновских туннельных переходов.Various devices are known from the prior art using heterostructures based on Josephson tunnel junctions.
Известны приборы на основе джозефсоновского туннельного перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) (RU2504049 С2, "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина", 10.01.2014. 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, прослойка имеет локально неоднородную структуру и выполнена с возможностью одновременного образования в ее объеме двух независимых каналов транспорта тока.Known devices based on the Josephson tunnel junction superconductor-insulator-superconductor (SIS) (RU2504049 C2, "Research Institute for Physical Problems named after F.V. Lukin", 01/10/2014. Superconducting Josephson device based on a multilayer thin-film heterostructure containing two superconductor layer forming electrodes and a layer with metal conductivity between them made of a metal-doped semiconductor, the layer has a locally inhomogeneous structure and is configured to simultaneously form two independent current transport channels in its volume.
Недостаток такого решения заключается в том, что индуктивность перехода, а также нормальное сопротивление перехода имеют немонотонную зависимость от толщины промежуточного слоя полупроводника (Gudkov, A.L., Kupriyanov, М.Y., & Likharev, K.K. (1988). Properties of Josephson junctions with amorphous-silicon interlayers. Zh. Eksp.Teor. Fiz, 94(3), 19-332.). Это может привести к тому, что при малых отклонениях толщины промежуточного слоя из-за особенностей технологического процесса от закладываемых значений, будут немонотонно и непредсказуемо меняться индуктивность и нормальное сопротивление, следовательно, характерное напряжение и параметр гистерезисности Маккамбера.The disadvantage of this solution is that the junction inductance, as well as the normal junction resistance, have a nonmonotonic dependence on the thickness of the intermediate semiconductor layer (Gudkov, A.L., Kupriyanov, M.Y., & Likharev, K.K. (1988). Properties of Josephson junctions with amorphous -silicon interlayers Zh Eksp Teor Fiz 94(3), 19-332). This can lead to the fact that with small deviations of the thickness of the intermediate layer due to the peculiarities of the technological process from the set values, the inductance and normal resistance will change nonmonotonically and unpredictably, and hence the characteristic voltage and the McCumber hysteresis parameter.
Известны и другие сверхпроводящие приборы с использованием переходов типа SNS (например, US 6734454 (В2), Van Duzer, et al., 11.05.2004; ЕР 1365456 (A2), YAMAMORI HIROTAKE et al., 26.11.2003), в которых транспорт тока осуществлялся путем непосредственного протекания тока через прослойку с чисто металлической проводимостью и имеет место значительное подавление сверхпроводимости в электродах (RU 2599904 С1). В таких переходах, как правило, величина характерного напряжения не превышает десятков микровольт, что соответствует рабочим частотам до 20 ГГц. Для большинства практических применений требуются джозефсоновские контакты с характерным напряжением сотни микровольт и рабочими частотами 200 ГГц и выше.Other superconducting devices are also known using SNS type transitions (for example, US 6734454 (B2), Van Duzer, et al., 05/11/2004; EP 1365456 (A2), YAMAMORI HIROTAKE et al., 11/26/2003), in which transport current was carried out by the direct flow of current through the layer with a purely metallic conductivity and there is a significant suppression of superconductivity in the electrodes (RU 2599904 C1). In such transitions, as a rule, the value of the characteristic voltage does not exceed tens of microvolts, which corresponds to operating frequencies up to 20 GHz. Most practical applications require Josephson junctions with characteristic voltages of hundreds of microvolts and operating frequencies of 200 GHz and higher.
Известно изготовление переходов с высокой плотностью тока, что обеспечивает высокое характерное напряжение и безгистерезисность вольтамперной характеристики без использования внешнего шунтирования (Tolpygo S.K. et al Properties of unshunted and resistively shunted Nb/AlOx-Al/Nb Josephson junctions with critical current densities from 0.1 to 1 mA/μm2 //IEEE Transactions on Applied Superconductivity., V. 27, №. 4. - pp. 1-15. (2017)). Недостатком является сложный технологический процесс - необходимо изготавливать структуры с очень тонкой прослойкой изолятора (порядка нескольких атомных слоев). Этот процесс является сложно контролируемым и непредсказуемым. Также повышение плотности тока приводит к тому, что для изготовления переходов с сопротивлениями порядка нескольких Ом, что требуется для большинства практических приложений, приходится существенно уменьшать их размер (площади переходов менее 0,1 мкм2). Это тоже значительно усложняет процесс изготовления.It is known to manufacture junctions with a high current density, which provides a high characteristic voltage and hysteresis-free current-voltage characteristic without the use of external shunting (Tolpygo SK et al Properties of unshunted and resistively shunted Nb/AlOx-Al/Nb Josephson junctions with critical current densities from 0.1 to 1 mA /μm2 //IEEE Transactions on Applied Superconductivity., V. 27, No. 4. - pp. 1-15 (2017)). The disadvantage is a complex technological process - it is necessary to manufacture structures with a very thin insulator layer (of the order of several atomic layers). This process is difficult to control and unpredictable. Also, an increase in current density leads to the fact that in order to manufacture junctions with resistances of the order of several ohms, which is required for most practical applications, it is necessary to significantly reduce their size (the junction area is less than 0.1 μm 2 ). This also greatly complicates the manufacturing process.
Известно, что шунтирование туннельного перехода обеспечивает безгистерезисность вольтамперной характеристики. Существует также способ шунтирования внешним резистором (см. вышеуказанную ст. Tolpygo S.K. et al., p. 3). По этому способу шунт представляет тонкопленочный резистор из нормального металла, толщина которого выбирается с учетом плотности тока, а геометрические размеры - с учетом параметров туннельного перехода и необходимой степени шунтирования. Недостатком является высокая паразитная индуктивность тонкопленочного шунта, а также большой суммарный размер структуры по сравнению с площадью одного шунтируемого СИС перехода. Даже в самых современных дизайнах площадь шунта в разы больше площади перехода.It is known that shunting the tunnel junction ensures that the volt-ampere characteristic is hysteresis-free. There is also a way to shunt with an external resistor (see the above article by Tolpygo S.K. et al., p. 3). According to this method, the shunt is a thin-film resistor made of normal metal, the thickness of which is chosen taking into account the current density, and the geometric dimensions - taking into account the parameters of the tunnel junction and the required degree of shunting. The disadvantage is the high parasitic inductance of the thin-film shunt, as well as the large total size of the structure compared to the area of one shunted SIS junction. Even in the most modern designs, the shunt area is many times larger than the transition area.
Наиболее близким к патентуемой является гетероструктура по патенту US 6734454 (В2), UNIV ARIZONA, UNIV CALIFORNIA - 11.05.2004 - прототип. Джозефсоновский переход имеет собственное сопротивление, которое эффективно шунтирует переход и, таким образом, устраняет необходимость в отдельном шунтирующем резисторе и, таким образом, уменьшает площадь поверхности в интегральной схеме, включающей в себя множество джозефсоновских переходов. Джозефсоновский переход состоит из набора слоев Nb и сверхпроводника с TC >9°K, имеющего большую глубину проникновения, чем у Nb, например, NbyTi1-yN, со слоем проводящего материала, имеющего удельное сопротивление между 200 мк Ом.см и 1 Ом.см, например, TaxN. Джозефсоновский переход может быть сформирован на несущей подложке, такой как кремний, с заземляющей пластиной, такой как Nb, на подложке и изолирующим слоем, таким как SiO2, отделяющим заземляющую пластину от массива.The closest to patentable is the heterostructure according to US patent 6734454 (B2), UNIV ARIZONA, UNIV CALIFORNIA - 11.05.2004 - prototype. The Josephson junction has its own resistance, which effectively shunts the junction and thus eliminates the need for a separate shunt resistor and thus reduces the surface area in an integrated circuit including a plurality of Josephson junctions. The Josephson junction consists of a stack of Nb layers and a superconductor with T C >9°K having a greater penetration depth than Nb , e.g. and 1 Ohm.cm, for example, TaxN. The Josephson junction can be formed on a carrier substrate such as silicon with a ground plane such as Nb on the substrate and an insulating layer such as SiO 2 separating the ground plane from the array.
Недостаток такого шунтирования состоит в низкой воспроизводимости требуемых параметров. Описаны исследования (Yu, Lei, et al. "Internally shunted Josephson junctions with barriers tuned near the metal-insulator transition for RSFQ logic applications." Superconductor Science and Technology 19.8 (2006): 719), свидетельствующие о том, что у образцов, изготовленных на одной пластине, сильно варьируются критические токи IC и сопротивления Rn из-за нарушения стехиометрии. Более того, если даже для одной подложки существуют заметные вариации значений критического тока и нормального сопротивления, то они будут гораздо сильнее от одного цикла изготовления к другому.The disadvantage of this shunting is the low reproducibility of the required parameters. Studies are described (Yu, Lei, et al. "Internally shunted Josephson junctions with barriers tuned near the metal-insulator transition for RSFQ logic applications." Superconductor Science and Technology 19.8 (2006): 719) indicating that samples made on the same plate, the critical currents I C and resistances R n vary greatly due to violation of stoichiometry. Moreover, if even for one substrate there are noticeable variations in the values of the critical current and normal resistance, then they will be much stronger from one manufacturing cycle to another.
Настоящее изобретение направлено на решение технической проблемы снижения паразитной индуктивности и расширения частотного диапазона работы джозефсоновских туннельных переходов типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), при обеспечении большей компактности, что является техническим результатом изобретения.The present invention is aimed at solving the technical problem of reducing parasitic inductance and expanding the frequency range of operation of Josephson tunnel junctions of the superconductor-insulator-superconductor (SIS) type, while ensuring greater compactness, which is the technical result of the invention.
Патентуемая гетероструктура на основе джозефсоновского туннельного перехода сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (СИС) включает подложку из кремния с первым слоем ниобия на ней, второй слой ниобия, отделенный от первого слоя ниобия барьерным слоем, третий слои ниобия, и элемент интегрального шунтирования СИС перехода.The patented heterostructure based on the Josephson tunnel junction superconductor-insulator-superconductor (SIS) includes a silicon substrate with a first niobium layer on it, a second niobium layer separated from the first niobium layer by a barrier layer, a third niobium layer, and an integral shunting element of the SIS junction.
Отличие состоит в следующем. Элемент интегрального шунтирования выполнен в виде цилиндрического перехода сверхпроводник - изолятор - нормальный металл (СИН), расположенного соосно упомянутому СИС переходу, цилиндрической формы, причем величина радиуса г СИН перехода выбрана из условия заданной степени шунтирования, при этом поверх первого слоя ниобия, размещенного на подложке, размещены первый слой алюминия с образованным барьерным слоем из двуокиси алюминия и вторым слоем алюминия, в центральной части второго слоя алюминия размещен второй слой ниобия с внешним радиусом r1, которые совместно образуют СИН переход, а третий слой ниобия размещен так, что он контактирует только со вторым слоем ниобия и отделен от упомянутой структуры слоем двуокиси кремния.The difference is as follows. The integral shunting element is made in the form of a cylindrical superconductor - insulator - normal metal (SIN) junction located coaxially with the said SIS junction, of a cylindrical shape, and the value of the radius r of the SIS junction is selected from the condition of a given degree of shunting, while over the first layer of niobium placed on the substrate , the first layer of aluminum is placed with the formed barrier layer of aluminum dioxide and the second layer of aluminum, in the central part of the second layer of aluminum is placed the second layer of niobium with an outer radius r 1 , which together form the SIN transition, and the third layer of niobium is placed so that it contacts only with a second layer of niobium and separated from said structure by a layer of silicon dioxide.
Гетероструктура может характеризоваться тем, что площадь СИС перехода составляет 1,4 мкм2 при внешнем радиусе СИН перехода в диапазоне r =1,5 до 3,5 мкм.The heterostructure can be characterized in that the area of the SIS junction is 1.4 µm 2 with the outer radius of the SIS junction in the range r =1.5 to 3.5 µm.
Предлагаемый способ шунтирования заключается в изготовлении туннельных СИС переходов с интегральным шунтированием переходом сверхпроводник-изолятор-нормальный металл (СИН), расположенным вокруг основного перехода и изготовленным с ним в одном технологическом процессе. Внутренний радиус СИН-перехода определяется радиусом СИС-перехода, внешний - выбирается с учетом необходимого сопротивления. В этом случае удается добиться снижения паразитной индуктивности и расширения частотного диапазона работы джозефсоновских туннельных переходов типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник.The proposed method of shunting consists in the manufacture of tunnel SIS junctions with integral shunting with a superconductor-insulator-normal metal (SIN) junction located around the main junction and manufactured with it in the same technological process. The inner radius of the SIS junction is determined by the radius of the SIS junction, while the outer radius is selected taking into account the required resistance. In this case, it is possible to achieve a reduction in parasitic inductance and an expansion of the frequency range of operation of Josephson tunnel junctions of the superconductor-insulator-superconductor type.
Существо изобретения поясняется на фигурах:The essence of the invention is illustrated in the figures:
фиг. 1 - гетероструктура в поперечном сечении;fig. 1 - heterostructure in cross section;
фиг. 2 - гетероструктура, разрез по линии А-А;fig. 2 - heterostructure, section along the line A-A;
Фиг. 3 - 6 - последовательность формирования гетероструктуры;Fig. 3 - 6 - the sequence of formation of the heterostructure;
фиг. 7 - результаты численного моделирования: зависимость характерного напряжения VC перехода с СИН шунтированием от внешнего радиуса г шунта;fig. 7 - results of numerical simulation: dependence of the characteristic voltage V c of the junction with SIN shunting from the outer radius r of the shunt;
фиг. 8 - результаты численного моделирования: зависимость суммарного подщелевого напряжения шунта и перехода Rjtotal от внешнего радиуса r шунта для различных плотностей тока;fig. 8 - results of numerical simulation: dependence of the total subgap voltage of the shunt and transition R jtotal on the outer radius r of the shunt for various current densities;
фиг. 9 - результаты численного моделирования: параметр гистерезисности βC в зависимости от внешнего радиуса r шунта для различных плотностей тока;fig. 9 - results of numerical simulation: hysteresis parameter β C depending on the outer radius r of the shunt for different current densities;
фиг. 10 - вольтамперные характеристики изготовленных структур с шунтированием СИН переходом под воздействием сигнала СВЧ диапазона;fig. 10 - current-voltage characteristics of the fabricated structures with shunting of the SIN transition under the influence of a microwave signal;
фиг. 11 - вольтамперные характеристики полученных структур с различной степенью шунтирования.fig. 11 - current-voltage characteristics of the obtained structures with different degrees of shunting.
На фиг. 1, 2 показана топология патентуемой гетероструктуры. На подложке 1 из кремния размещен первый слой 2 из пленки Nb, затем первый слой 3 из пленки Al. Поверх слоя 3 образован барьерный слой 4 из Al2O3, затем второй слой 5 из Al.In FIG. 1, 2 shows the topology of the patented heterostructure. On the
Далее в центральной части слоя 5 формируют СИС переход малого размера из слоя 6 Nb. Далее размещен слой 7 SiO2, поверх которого образован верхний электрод из слоя 8 Nb.Further, in the central part of
Пример последовательности формирования слоев гетероструктуры схематично показан на фиг. 3-6. Гетероструктура выполняется в одном технологическом цикле и включает следующие операции:An example of the sequence of formation of heterostructure layers is shown schematically in FIG. 3-6. The heterostructure is performed in one technological cycle and includes the following operations:
- напыление четырехслойной структуры Nb-AlOx/Al-Nb на кремниевую подложку (фиг. 3);- deposition of a four-layer structure Nb-AlOx/Al-Nb on a silicon substrate (Fig. 3);
- формирование СИН перехода 11 методом плазмохимического травления, и проведение сквозной анодизации верхнего слоя 5 алюминия вне СИН перехода 11 (фиг. 4);- the formation of the
формирование основного СИС перехода 10, напыление слоя 7 изолятора SiO2 толщиной 250 нм (фиг. 5);formation of the
- напыление верхнего (замыкающего) электрода 8 из Nb толщиной 300 нм (фиг. 6).- deposition of the upper (closing)
Подложка 1 - пластина монокристаллического неокисленного высокоомного кремния, которая при низких температурах является диэлектриком. Размер подложки 24×24×0,5 мм. На очищенную подложку 1 осаждался слой Al2O3 толщиной 100 нм, который является защитным при формировании переходов реактивно-ионным травлением.Substrate 1 - a plate of single-crystal unoxidized high-resistance silicon, which is a dielectric at low temperatures. The size of the substrate is 24×24×0.5 mm. A layer of Al 2 O 3 100 nm thick was deposited on the cleaned
Геометрия нижнего электрода в слое 2 формировалась методом «взрывной» литографии.The geometry of the lower electrode in
Осаждение четырехслойной структуры Nb/Al-AlOx/Al/Nb производится в едином вакуумном цикле (фиг. 3). Слои 2,6 Nb и слои 3,5 Al осаждались методом DC магнетронного распыления.The deposition of the four-layer structure Nb/Al-AlOx/Al/Nb is carried out in a single vacuum cycle (Fig. 3). 2.6 Nb layers and 3.5 Al layers were deposited by DC magnetron sputtering.
Нижний слой 2 пленки Nb толщиной 200 нм формировался при мощности 600 Вт и давлении Ar 3⋅10-3 мбар. После необходимого охлаждения пленки Nb, осаждался слой 3 пленки Al толщиной 5 нм при мощности 100 Вт и давлении Ar 2⋅10-3 мбар. Затем проводилось его термическое окисление при комнатной температуре в течение 20 минут в атмосфере чистого кислорода при давлении 2⋅10-2 мбар.The
После откачки остаточного кислорода проводилось осаждение второго слоя 5 Al толщиной 7 нм при мощности 100 Вт и давлении Ar 2⋅10-3 мбар и верхний слой Nb толщиной 100 нм при мощности 600 Вт и давлении Ar 3⋅10-3 мбар.After residual oxygen was pumped out, the second layer of 5
СИН переход 11 формировался методом реактивного ионного травления верхнего слоя 6 Nb в смеси газов CF4+3% О2 при мощности 50 Вт. В результате полностью удалялись незащищенные резистом участки слоя 6 ниобия. Процесс травления автоматически останавливался на слое 5 пленки алюминия. Затем по этой же резистивной маске проводилось сквозное анодирование Al до напряжения 15-20 B в растворе электролита.
Геометрия основного СИС перехода 10 формировалась методом «взрывной» литографии. После фотолитографии, определяющей размер (D = 2r1) перехода, проводилось реактивное ионное травление Nb в смеси газов CF4+3% О2 при мощности 50 Вт, с последующей анодизацией до 7-8 В. Затем напылялся слой 7 изоляции SiO2 толщиной 250 нм; при этом использовалась та же резистивная маска, что и при втором травлении и анодизации. Чтобы избежать трудностей со взрывной литографией, осаждение изоляционного слоя 7 по оставшейся маске проводилось в два этапа с временным интервалом, достаточным для охлаждения. Пленка SiO2 осаждались методом RF магнетронного распыления при мощности 450 Вт и давлении Ar 2⋅10-3 мбар.The geometry of the
На последнем этапе происходило формирование верхнего (замыкающего) электрода. Пленка слоя 8 Nb толщиной 300-400 нм осаждалась методом DC магнетронного распыления при мощности 600 Вт и давлении Ar равном 3⋅10-3 мбар. Геометрия верхнего электрода слоя 8 Nb формировалась методом «взрывной» литографии.At the last stage, the upper (closing) electrode was formed. An 8Nb layer film with a thickness of 300-400 nm was deposited by DC magnetron sputtering at a power of 600 W and an Ar pressure of 3⋅10 -3 mbar. The geometry of the upper electrode of the 8 Nb layer was formed by the method of "explosive" lithography.
На фиг. 7-9 приведены результаты численного моделирования. Зависимость характерного напряжения VC перехода с СИН шунтированием от внешнего радиуса r шунта показана на фиг. 7. Зависимость суммарного подщелевого напряжения шунта и перехода Rjtotal от внешнего радиуса шунта r для различных плотностей тока показана на фиг. 8.In FIG. 7-9 shows the results of numerical simulation. The dependence of the characteristic voltage V C of a junction with an LSS shunt on the outer radius r of the shunt is shown in FIG. 7. The dependence of the total subgap voltage of the shunt and the transition Rjtotal on the outer radius of the shunt r for various current densities is shown in FIG. eight.
На фиг. 9 приведен расчет параметра гистерезисности βC (βC ≤ 1 в случае безгистерезисности) в зависимости от внешнего радиуса r шунта для различных плотностей тока. Площадь СИС перехода S = 1,4 мкм2.In FIG. Figure 9 shows the calculation of the hysteresis parameter β C (β C ≤ 1 in the case of no hysteresis) depending on the outer radius r of the shunt for various current densities. The area of the SIS transition S = 1.4 μm 2 .
Проведенные численные расчеты показывают, что при создании структур с малым удельным туннельным сопротивлением RnS ≈ 7 Ом×мкм2, возможно получить переходы с высоким характерным напряжением VC ≈ 800 мВ и с бесгистерезисной вольтамперной характеристикой.The performed numerical calculations show that when creating structures with a low specific tunneling resistance R n S ≈ 7 Ohm×µm 2 , it is possible to obtain junctions with a high characteristic voltage V C ≈ 800 mV and with an hysteresis-free current-voltage characteristic.
На фиг. 10 показаны вольтамперные характеристики изготовленных структур с шунтированием СИН переходом. Приведены вольтамперные характеристики СИС перехода с СИН-шунтированием без воздействия внешнего сигнала и под воздействием сигналов с частотами 330 ГГц, 400 ГГц и 460 ГГц. Видно, что СИС переход с СИН-шунтированием обеспечивает эффективное функционирование на высоких частотах. Для каждой из частот наблюдаются соответствующие ступени Шапиро на напряжениях, соответствующих частоте согласно соотношению Джозефсона.In FIG. 10 shows the current-voltage characteristics of fabricated structures with shunting of the SIN junction. The current-voltage characteristics of the SSI junction with SIN shunting are given without the influence of an external signal and under the influence of signals with frequencies of 330 GHz, 400 GHz and 460 GHz. It can be seen that the SIS junction with SYN shunt provides efficient operation at high frequencies. For each of the frequencies, the corresponding Shapiro steps are observed at voltages corresponding to the frequency according to the Josephson relation.
На фиг. 11 приведены вольтамперные характеристики изготовленных структур с различной степенью шунтирования для следующих параметров: площадь перехода S = 1,4 мкм2. Внешний радиус r шунта варьируется от 1,5 до 3,5 мкм. Видно, что патентуемый тип шунтирования обеспечивает работоспособность гетероструктур, при этом степень шунтирования возможно регулировать, задавая радиус СИН перехода.In FIG. Figure 11 shows the current-voltage characteristics of fabricated structures with different degrees of shunting for the following parameters: transition area S = 1.4 μm 2 . The outer radius r of the shunt varies from 1.5 to 3.5 μm. It can be seen that the patented type of shunting ensures the operability of heterostructures, while the degree of shunting can be controlled by setting the radius of the junction SIN.
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о достижении технического результата изобретения: обеспечение большей компактности при расширении частотного диапазона работы джозефсоновских туннельных переходов.Thus, the presented data indicate the achievement of the technical result of the invention: providing greater compactness while expanding the frequency range of the Josephson tunnel junctions.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2786616C1 true RU2786616C1 (en) | 2022-12-22 |
Family
ID=
Citations (4)
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 |
US20050092981A1 (en) * | 2003-11-04 | 2005-05-05 | Hunt Jeffrey H. | Superconducting integrated circuit and methods of forming same |
RU2504049C2 (en) * | 2012-04-17 | 2014-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" | Superconducting josephson instrument and method of its manufacturing |
WO2016000836A1 (en) * | 2014-07-02 | 2016-01-07 | University Of Copenhagen | A semiconductor josephson junction and a transmon qubit related thereto |
Patent Citations (4)
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 |
US20050092981A1 (en) * | 2003-11-04 | 2005-05-05 | Hunt Jeffrey H. | Superconducting integrated circuit and methods of forming same |
RU2504049C2 (en) * | 2012-04-17 | 2014-01-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" | Superconducting josephson instrument and method of its manufacturing |
WO2016000836A1 (en) * | 2014-07-02 | 2016-01-07 | University Of Copenhagen | A semiconductor josephson junction and a transmon qubit related thereto |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8200304B2 (en) | Josephson junction and Josephson device | |
Shoji et al. | New fabrication process for Josephson tunnel junctions with (niobium nitride, niobium) double‐layered electrodes | |
EP0109166A2 (en) | Superconducting tunnel junction devices and method of making them | |
US7247603B2 (en) | Charge dissipative dielectric for cryogenic devices | |
Bhushan et al. | Nb/AlO x/Nb trilayer process for the fabrication of submicron Josephson junctions and low‐noise dc SQUIDs | |
RU2786616C1 (en) | Heterostructure based on the josephson tunnel junction superconductor-insulator-superconductor with integral shutting | |
Born et al. | Fabrication of ultrasmall tunnel junctions by electron beam direct-writing | |
US6734454B2 (en) | Internally shunted Josephson junction device | |
Lacquaniti et al. | Analysis of the Temperature Stability of Overdamped ${\hbox {Nb}}/{\hbox {Al-}}{\hbox {AlO}} _ {x}/{\hbox {Nb}} $ Josephson Junctions | |
Meng et al. | Very small critical current spreads in Nb/Al-AlOx/Nb integrated circuits using low-temperature and low-stress ECR PECVD silicon oxide films | |
JPS60140885A (en) | Superconductive element ic | |
Amin et al. | Fabrication of three terminal devices via a whole-wafer processing route | |
RU2504049C2 (en) | Superconducting josephson instrument and method of its manufacturing | |
Balashov et al. | SINIS process development for integrated circuits with characteristic voltages exceeding 250/spl mu/V | |
Villegier et al. | RF-sputter-deposited magnesium oxide films as high-quality adjustable tunnel barriers | |
JP2796099B2 (en) | Superconducting element | |
RU2816118C1 (en) | Method of making tunnel junction with double insulation | |
Balashov et al. | SINIS fabrication process for realizing integrated circuits in RSFQ impulse logic | |
Ishizaki et al. | Critical current control and microwave-induced characteristics of (NbN/TiN/sub x/)/sub n//NbN stacked junction arrays | |
Tolpygo et al. | Nb/AlO/sub x//Al/AlO/sub x//Nb double-barrier junctions with high critical current densities: influence of barrier asymmetry | |
Born et al. | Transport properties of SINIS junctions with high-current density | |
Hagedorn et al. | An SNS technology process for ramp junction based digital superconducting circuits | |
Blaugher et al. | Processing of all-NbN tunnel junction series arrays | |
Akaike et al. | Overdamped NbN junctions with NbNx barriers formed by plasma nitridation | |
JP2647251B2 (en) | Superconducting element and fabrication method |