«ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИЕМНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ ...»

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

ИМ. В.А. КОТЕЛЬНИКОВА РАН

На правах рукописи

УДК

ФИЛИППЕНКО Людмила Викторовна

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИЕМНЫЕ

СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ

ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ

Специальность 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: профессор, д.ф.-м.н. Кошелец В.П.

МОСКВА – 2009

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ стр… П1 Область исследования ……………………………………….. П2 Порядок изложения материала ……………………………… П3 Основные положения, выносимые на защиту ………………. П4 Вопросы авторства и публикация результатов …………….. П5 Аннотация …………………………………………………….. Глава 1 Введение 1.1 Основы сверхпроводниковой электроники…………………. 1.2 Краткий обзор развития технологии СИС переходов ……… 1.3 Устройства сверхпроводниковой электроники……………… 1.4 Постановка задачи……………………………………………… Глава 2 Технология изготовления СИС переходов на основе структуры Nb/Al-AlOx/Nb 2.1 Технологический маршрут и режимы изготовления СИС переходов………………………………………………………. 2.2 Основные этапы изготовления СИС переходов 2.2.1 Фотолитография……………… ………………………. 2.2.2 Напыление тонких пленок…………………………….. 2.2.3 Электролитическое анодирование……………………. 2.2.4 Реактивное ионное травление (RIE)………………….. 2.3 Оборудование для изготовления СИС переходов…………… 2.4 Система измерения электрофизических параметров ………. Глава 3 Разработка технологии изготовления малошумящих СИС приемников для радиоастрономических исследований 3.1 Основные требования к параметрам смесительных СИС переходов………………………………………………………. 3.2 Оптимизация технологии изготовления СИС переходов для СВЧ применения

3.3 СИС структуры для волноводных смесителей мм диапазона длин волн…………………………………………… 3.4 Разработка технологии изготовления СИС переходов на кварцевых подложках

3.5 Квазиоптический приемник на основе туннельного СИС перехода

3.6 Выводы по Главе 3 ………………………

Глава 4 Интегральные сверхпроводниковые структуры 4.1 Интегральный сверхпроводниковый приемник (СИП)……… 4.2 Микросхема интегрального приемника ……………………… 4.2.1 Технология изготовления микросхемы СИП....…......... 4.2.2 Особенности RIE процесса при формировании перехода методом «крест»

4.2.3 Оптимизация края пленок микрополосковой линии... 4.2.4 Экспериментальное исследование интегрального приемника

4.3 Приемник с балансным СИС смесителем

4.4 Примеры применения чипов интегрального приемника…... 4.5 Интегральный сверхпроводниковый спектрометр для проекта TELIS………………………………………………….. 4.5.1 Технология изготовления микросхем интегрального приемника для проекта TELIS………………………… 4.5.2 Оптимизация процессов изготовления СИС переходов субмикронных размеров…………………. 4.6 СИП на основе структуры Nb/Al-AlN/NbN………………… 4.7 Технология изготовления микросхем интегрального приемника, объединяющая структуры с разными плотностями тока на одном чипе…………………………… 4.8 Выводы по Главе 4 ……………………

Глава 5 Детекторы рентгеновского излучения на основе туннельных 5.1 Общие требования к разработке СТП-детекторов ………… 5.2 Микросхемы для испытания СТП-детекторов ….................. 5.3 Методика изготовления СТП-детекторов…………………… 5.4 Экспериментальные характеристики СТП-детекторов.......... 5.5 Выводы по Главе 5 ………………………

Глава 6 Новые методы формирования СИС переходов 6.1 Концепция метода химико-механической полировки (CMP) ………………………………………………………… 6.2 Формирование СИС переходов субмикронного размера методами CMP и электронно-лучевой литографии............... 6.3 Исследование способов формирования многоэлементных схем…………………………………………………….………. 6.4 Выводы по Главе 6 ………………………

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные результаты диссертации ……………….. Публикации по теме диссертационной работы..……………………… Цитированная литература………………………………………………..

ПРЕДИСЛОВИЕ

Туннельные переходы сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) являются основными элементами большинства устройств сверхпроводниковой электроники. Однако, отсутствие технологии, воспроизводимыми параметрами и выдерживающими многократные термоциклирования, долгое время препятствовало практическому применению СИС переходов и структур на их основе. В начале 80-х годов началось исследование СИС переходов на основе тугоплавких материалов, что сделало возможным широкое применение таких структур для приема и обработки сигналов малой мощности.

СИС структуры на основе нелинейной зависимости тока квазичастиц от напряжения являются наиболее перспективными элементами для создания высокочувствительных приемных устройств при проведении радиоастрономических наблюдений. Приемники на основе туннельных СИС переходов обладают самой низкой шумовой температурой в диапазоне 100 – 1000 ГГц. Это объясняется как чрезвычайно высокой нелинейностью сверхпроводниковых элементов, так и их предельно низкими собственными шумами, обусловленными природой элементов и криогенной рабочей температурой. Для реализации предельных параметров СИС приемников требуются туннельные переходы с высокой плотностью тока, низкими токами утечки и малым размытием щелевого напряжения, изготовленные целиком из тугоплавких материалов. Для согласования таких переходов с внешней электродинамической системой необходимо использовать переходы субмикронных размеров.

В ИРЭ РАН была предложена концепция сверхпроводникового интегрального приемника (СИП). На одной микросхеме размещаются приемная антенна, квантовый СИС смеситель на квазичастичной нелинейности туннельного перехода и сверхпроводниковый генератор гетеродина (ФФО). Интегральные приемники крайне перспективны для радиоастрономии, мониторинга окружающей среды, осуществляемого с борта спутников или специальных самолетов, а также медицинской диагностики и систем безопасности. Первым практическим применением СИП является проект TELIS, направленный на изучение распределения примесных газов в атмосфере с борта высотного аэростата. Поэтому весьма актуальной явилось задача создания технологии изготовления многослойных СВЧ микросхем, объединяющих различные сверхпроводниковые элементы в единое устройство.

рентгеновского и мягкого гамма-излучения, так как они обладают более высоким энергетическим разрешением по сравнению с лучшими рентгенофлюоресцентного анализа в материаловедении, в астрономии и других приложениях. Рекордные характеристики таких устройств связаны с существенно большим числом носителей тока (квазичастиц), возникающих в сверхпроводнике при поглощении кванта излучения по сравнению с традиционными полупроводниковыми детекторами. Однако, для реализации высокого энергетического разрешения необходимы туннельные переходы с одним активным электродом, в которых отклик другого подавлен благодаря действию слоя-ловушки.

Для реализации предельных параметров СИС приемников и их продвижения в область терагерцовых частот необходимы туннельные переходы, площадь которых существенно меньше 1 мкм2. Это требует разработки принципиально новых методов формирования таких структур и оптимизации режимов их изготовления. Кроме того, для большинства перспективных применений нужны сложные многоэлементные микросхемы с малым разбросом параметров и воспроизводимыми характеристиками. На диссертационная работа.

Глава 1 носит обзорный характер. В ней дано описание физических процессов, лежащих в основе эффекта Джозефсона. Подробно описаны переходы сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС переходы), которые являются основным элементом сверхпроводниковой электроники и являются главным объектом исследования данной диссертационной работы.

Дается краткий обзор развития технологии изготовления СИС переходов.

Рассматриваются различные устройства сверхпроводниковой электроники на основе СИС переходов.

Глава 2 посвящена описанию технологического маршрута изготовления СИС переходов на основе Nb/Al-AlOx/Nb. Детально рассмотрены ключевые этапы формирования СИС переходов: фотолитография, напыление пленок, анодизация, реактивно-ионное травление; даются режимы изготовления.

Глава 3 посвящена разработке технологии изготовления СИС смесителей для радиоастрономических наблюдений. Представлены результаты оптимизации напыления тонких пленок ниобия. Обсуждаются особенности изготовления СИС переходов на кварцевых подложках.

Глава 4 посвящена разработке технологии изготовления микросхем сверхпроводникового интегрального приемника (СИП). Представлены результаты оптимизации изготовления СИС переходов субмикронного размера. Описана технология изготовления микросхем СИП на основе туннельных переходов Nb/Al-AlN/NbN, объединяющая структуры с разными плотностями тока на одном чипе.

Глава 5 посвящена исследованию детекторов рентгеновского излучения на основе туннельных переходов. Предложена конструкция и оптимизирована технология изготовления сверхпроводящих туннельных детекторов рентгеновского излучения на основе многослойной структуры Ti/Nb/AlAlOx/Al/Nb/NbN.

Глава 6 посвящена новым методам формирования СИС переходов субмикронного размера с помощью химико-механической полировки и электронно-лучевой литографии. Исследованы способы формирования многоэлементных схем.

П3. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Проведено исследование по оптимизации технологии изготовления микронного размера. Найдены условия, при которых механические напряжения в пленках Nb минимальны; изготовлены СИС переходы с отношением сопротивления под и над щелью (характеристика качества туннельного перехода) Rj/Rn > 40. Использование изготовленных автором приемных структур позволило получить шумовую температуру использования их в волноводных смесителях, что позволило создать радиотелескопах Онсала (Onsala, Швеция) и Метсахови (Хельсинки, Финляндия).

2. Создана технология изготовления СИС переходов субмикронного размера для многослойных СВЧ микросхем, работающих в диапазоне частот 100-700 ГГц. Данная технология позволяет получать СИС переходы особенности Vg < 150 мкВ и разбросом параметров по подложке порядка 10 %. Впервые изготовлена микросхема сверхпроводникового интегрального приемника (СИП), объединяющая в себе СИС смеситель с квазиоптической антенной и сверхпроводящий генератор на потоке джозефсоновских вихрей, шумовая температура которого на частоте 480 - 520 ГГц составила 100К. Разработана технология изготовления структуры с разными плотностями тока на одном чипе.

сверхпроводниковых СВЧ микросхем на основе туннельных переходов Nb/Al-AlN/NbN. Микросхема сверхпроводникового интегрального однокристальную СВЧ микросхему СИП, в которую для фазовой синхронизации частоты гетеродина включен гармонический смеситель.

Были изготовлены и исследованы микросхемы спектрометра нового дистанционному исследованию атмосферы с борта высотного аэростата в диапазоне 500 – 650 ГГц (проект TELIS, выполняемый совместно с Институтом космических исследований Голландии). Для бортового интегрального приемника реализована шумовая температура менее 120 К (DSB), полоса ПЧ 4 – 8 ГГц, спектральное разрешение лучше 1 МГц. Первый тестовый полет проведен в июне 2008 г. на полигоне Терезина в Бразилии.

4. Предложена конструкция и оптимизирована технология изготовления сверхпроводящих туннельных детекторов рентгеновского излучения на основе многослойной структуры Ti/Nb/Al-AlOx/Al/Nb/NbN с одним активным электродом, в которых отклик другого подавлен благодаря действию слоя-ловушки из титана. Показано, что использование подслоя из Ti не нарушает микроструктуру вышележащих слоев и дает (при Т = 1.3 K). Наилучшее энергетическое разрешение, измеренное в НИИЯФ МГУ для детектора площадью 6400 мкм2, составило 78 эВ при вкладе электронных шумов 50 эВ. Сигнал пассивного электрода в 8 раз меньше сигнала активного электрода.

субмикронных размеров и многоэлементных структур на их основе. С переходы с площадью перехода вплоть до 0.03 мкм2 и Rj/Rn > 10.

Исследованы способы формирования многоэлементных схем средней степени интеграции с числом элементов до 1000. Показано, что с помощью разработанного автором технологического процесса возможно изготовление цепочек туннельных переходов с разбросом основных параметров не превышающих 2% для n = 100 и 3.5% для n = 1000.

П.4. Вопросы авторства и публикация результатов.

В работах [A1, A6 - 7, А10] автором проведены исследования по оптимизации технологии изготовления высококачественных туннельных переходов Nb/Al-AlOx/Nb микронного размера. Найдены условия, при которых механические напряжения в пленках Nb минимальны и изготовлены СИС переходы с отношением сопротивления под и над щелью (характеристика качества туннельного перехода) Rj/Rn > 40. Найденные условия и режимы напыления использовались автором для изготовления туннельных переходов c плотностью тока до 10 кА/см2, размытием щелевой особенности Vg < 150 мкВ и разбросом параметров по подложке порядка 10 % для различных сверхпроводниковых устройств (приемников, СКВИДов и цифровых схем) [A2, A4 - 5, A8, A13, A43, А49 - 50]. Это позволило создать ряд практических устройств, в частности серию малошумящих приемников [А3, А9, А12 - 20, А26-36, А44, А47, А56 - 59], успешно используемых на радиотелескопах Онсала (Onsala, Швеция) и Метсахови (Хельсинки, Финляндия) [A117].

Созданная и оптимизированная автором технология изготовления СИС переходов субмикронного размера и многослойных СВЧ микросхем на их основе описана в работах [A88, A11]; в работах по созданию приемных устройств на базе этих микросхем (в том числе микросхем спектрометра нового поколения для международного проекта по дистанционному исследованию атмосферы с борта высотного аэростата) [A23 - 25, A37 - 39, A45 - 46, A51 - 55, A60 - 72, A89 - 96, A98 - 100, A104, A106 - 109, A118 A124 - 134] автором проведено изготовление и предварительное тестирование микросхем интегрального приемника.

В работах [A102, А103] автор принимал участие в оптимизации технологии и изготовлении экспериментальных образцов.

В работах [A97, A101, А105, A112 - 116, A122, A123] автором предложена и апробирована новая технология изготовления сверхпроводящих туннельных детекторов рентгеновского излучения на основе многослойной структуры Ti/Nb/Al-AlOx/Al/Nb/NbN с одним активным электродом, в которых отклик другого подавлен благодаря действию слоя-ловушки из титана. В работе [A92] автором были разработаны и проверены новые методы формирования СИС переходов субмикронных размеров с помощью методов электроннолучевой литографии и химико-механической полировки.

Работы автора докладывались на международных и российских конференциях: Applied Superconductivity Conference (ASC’ 1988, 1990, 92, 94, 96, 98, 2000, 02, 04, 06), International Superconductive Electronics Conference (ISEC’ 1991, 93, 95, 99, 2005, 2007), International Symposium on Space Terahertz Technology (ISSTT’ 1993, 95, 96, 97, 98, 99, 2000, 02, 03, 05, 07, 08), European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS’ 1993, 97, 2003, 2005) и публиковались в ведущих специализированных изданиях: Physical Review Letters, Applied Physics Letters, Physical Review B, Physica B, Physica C, Superconductor Electronics, Superconductor Science and Technology, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, ЖТФ, «Радиотехника и электроника», «Приборы и техника эксперимента», «Известия ВУЗов.

Радиофизика» и другие. Всего по результатам работы подготовлено более 130 публикаций (статей и тезисов конференций), список основных специалистам, на них имеются многочисленные ссылки в научной периодике. Публикации по материалам диссертации полностью отражают ее содержание.

Представлен цикл работ по оптимизации технологии изготовления стабильных и воспроизводимых туннельных переходов на основе структуры Nb/Al-AlOx/Nb микронного размера; изготовлены СИС переходы с отношением сопротивления под и под щелью (характеристика качества туннельного перехода) Rj/Rn > 40. Использование изготовленных автором приемных структур позволило получить шумовую температуру приемника 70 К на частоте 100 ГГц. Автором разработана технология изготовления СИС переходов на кварцевых подложках, что позволило создать серию малошумящих приемников, успешно используемых на радиотелескопах Онсала (Швеция) и Метсахови (Финляндия).

Создана технология изготовления СИС переходов субмикронного размера для многослойных СВЧ микросхем, работающих в диапазоне частот 100-700 ГГц. Данная технология позволяет получать СИС переходы c Vg < 150 мкВ и разбросом параметров по подложке порядка 10 %. Впервые изготовлена микросхема сверхпроводникового интегрального приемника (СИП), объединяющая в себе СИС смеситель с квазиоптической антенной и сверхпроводящий генератор на потоке джозефсоновских вихрей, шумовая температура которого на частоте 480 - 520 ГГц составила 100 К. Разработана технология изготовления микросхем интегрального приемника, объединяющая структуры с разными плотностями тока на одном чипе.

Были изготовлены и исследованы микросхемы спектрометра нового поколения, удовлетворяющие всем требованиям проекта по дистанционному исследованию атмосферы с борта высотного аэростата в диапазоне 500 – 650 ГГц (проект TELIS, выполняемый совместно с Институтом космических исследований Голландии). Для бортового интегрального приемника реализована шумовая температура менее 120 К (DSB), полоса ПЧ 4 – 8 ГГц, спектральное разрешение лучше 1 МГц. Первый тестовый полет проведен в июне 2008 г. на полигоне Терезина в Бразилии.

Впервые предложена конструкция и разработана технология изготовления сверхпроводящих туннельных детекторов рентгеновского излучения на основе многослойной структуры Ti/Nb/Al-AlOx/Al/Nb/NbN с одним активным электродом, в которых отклик другого подавлен благодаря действию слоя-ловушки из титана.

Разработаны новые методы формирования СИС переходов субмикронных размеров и многоэлементных структур на их основе. С помощью методов электроннолучевой литографии и химико-механической полировки изготовлены и измерены туннельные переходы с площадью перехода вплоть до 0.03 мкм2 и Rj/Rn > 10.

Глава 1. Введение Явление сверхпроводимости было открыто еще в 1911 году, однако сверхпроводниковая электроника зародилась только в 1960-е годы после открытия эффекта Джозефсона. Этот эффект был теоретически предсказан в 1962 году, а спустя два года подтвержден экспериментально в работе И.К.Янсона, В.М. Свистунова и И.М. Дмитренко, которые впервые наблюдали так называемую джозефсоновскую генерацию. Квантовый макроскопичекий эффект Джозефсона, описывающий своеобразные осциллирующего тока куперовских пар через слабые связи, позволил создать целый класс сверхпроводниковых приборов для приема и обработки информации.

1.1 Основы сверхпроводниковой электроники.

Физические объекты, в которых имеет место эффект Джозефсона, джозефсоновскими контактами. Они являются элементной базой сверхпроводниковой электроники. Джозефсоновские переходы сверхпроводниками. Наиболее часто используемые на практике типы слабой связи – это: 1) туннельные переходы, в которых связь между двумя пленочными сверхпроводниками осуществляется через очень тонкий (десятки ангстрем) слой изолятора между ними – СИС структуры;

2) «сандвичи» - два пленочных сверхпроводника, взаимодействующие чрез тонкий слой (сотни ангстрем) нормального металла – СНС структуры;

3) структуры типа мостик, представляющие собой узкую сверхпроводящую перемычку (мостик) ограниченной длины между двумя массивными сверхпроводящими электродами [1,2].

Совокупность экспериментальных фактов о сверхпроводимости убедительно показывает, что при охлаждении ниже Тс проводник переходит в новое состояние, качественно отличающееся от нормального. Исследуя различные возможности объяснения свойств сверхпроводника, особенно эффекта Мейснера, немецкие учёные, работавшие в Англии, Г. и Ф.

Лондоны (1934) пришли к заключению, что сверхпроводящее состояние является макроскопическим квантовым состоянием металла. На основе этого представления они создали феноменологическую теорию, объясняющую поведение сверхпроводников в слабом магнитном поле — эффект Мейснера и отсутствие сопротивления. Обобщение теории Лондонов, сделанное Гинзбургом и Ландау (1950), позволило рассмотреть вопросы, относящиеся к поведению сверхпроводников в сильных магнитных полях. При этом было объяснено огромное количество экспериментальных данных и предсказаны новые важные явления. Убедительным подтверждением правильности исходных предпосылок упомянутых теорий явилось открытие эффекта квантования магнитного потока, заключённого внутри сверхпроводящего кольца. Из уравнений Лондонов следует, что магнитный поток в этом случае может принимать лишь значения, кратные кванту потока Фо = hc/e*, где е* — заряд носителей сверхпроводящего тока, h — постоянная Планка, с — скорость света. В 1961 Р. Долл и М. Небауэр их [3], независимо, Б. Дивер и У. Фейроенк (США) [4] обнаружили этот эффект. Оказалось, что е* = 2e, где е — заряд электрона. Найденная в опытах величина заряда частиц, создающих своим движением сверхпроводящий ток (е* = 2e), подтверждает эффект Купера, на основе которого в 1957 Дж. Бардин, Л. Купер и последовательную микроскопическую теорию сверхпроводимости [5].

Согласно Куперу, два электрона с противоположными спинами при определённых условиях могут образовывать связанное состояние (куперовскую пару). Заряд такой пары равен 2e. Пары обладают нулевым значением спина. В отличие от нормальных электронов, имеющих спин и поэтому подчиняющихся статистике Ферми-Дирака, куперовские пары подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна и конденсируются на одном, нижнем энергетическом уровне. Средний размер куперовской пары, называемый длиной когерентности где F - скорость электронов на поверхности Ферми (~ 108 cм/c), а (Т) – характерная энергия связи электронов в паре, называемая шириной энергетической щели. Характерной особенностью куперовских пар является их относительно большой размер (порядка 100 нм), намного превышающий среднее расстояние между парами (порядка межатомных расстояний). Такое сильное пространственное перекрытие пар означает, что вся совокупность (конденсат) куперовских пар описывается в квантовой механике единой волновой функцией. При Т = 0 связаны в пары все электроны проводимости.

Энергия связи электронов в паре весьма мала: она равна примерно 3,5 kTk, где k — постоянная Больцмана. Для типичных сверхпроводников (свинца, ниобия с Тс ~ 10 K) имеет порядок 1-2 мэВ. При разрыве пары, происходящем, например, при поглощении кванта электромагнитного поля или кванта звука (фонона), в системе возникают возбуждения. При отличной от нуля температуре имеется определённая равновесная концентрация возбуждений, она возрастает с температурой, а концентрация пар соответственно уменьшается. Энергия связи пары определяет так называемую щель в энергетическом спектре возбуждений, то есть минимальную энергию, необходимую для создания отдельного возбуждения.

Природа сил притяжения между электронами, приводящих к образованию пар, вообще говоря, может быть различной, хотя у всех известных сверхпроводников эти силы определяются взаимодействием электронов с фононами.

Наличие слабой электрической связи между сверхпроводящими электродами обусловлено слабым перекрытием волновых функций куперовских пар электродов, в результате чего такой контакт также является сверхпроводящим, однако значение плотности его критического тока намного (на несколько порядков) меньше плотности критического тока электродов jc 108 A/cm2. Для СИС и СНС структур плотность критического тока джозефсоновских переходов обычно лежит в диапазоне jk от 101 до 105 A/cm2, а их площадь S в рамках современной технологии может быть сделана от нескольких сот до долей квадратного микрона. Поэтому критический ток таких джозефсоновских элементов Ic = jk S может быть от нескольких миллиампер до нескольких микроампер.

В целом можно отметить три следствия проявления квантовой когерентности бозе-конденсата куперовских пар в макроскопическом масштабе: сам факт наличия сверхтока в сверхпроводнике, эффект Джозефсона в слабых связях сверхпроводников [6] и эффект квантования магнитного потока.

Величина постоянного сверхтока Is через джозефсоновский переход является периодической функцией разности фаз волновых функций электродов = 1 2, называемой джозефсоновской фазой. Таким образом, где Ic – критический ток контакта, зависящий от физической природы и размеров слабой связи.

При отсутствии тока через джозефсоновский переход = 0 (с точностью до 2n), а при протекании максимального сверхтока, равного Ic, джозефсоновская фаза = /2. При протекании постоянного тока I < Ic напряжение на контактах равно нулю. Это явление носит название стационарного эффекта Джозефсона.

Нестационарный эффект Джозефсона ( d/dt 0 ) имеет место, когда, например, через джозефсоновский переход пропускается ток I > Ic. В этом случае в переносе тока I через джозефсоновский переход кроме сверхтока Is будет участвовать также нормальная компонента In, которая представляет следовательно, диссипативной компоненты тока обуславливает появление на джозефсоновском переходе падения напряжения где Rn - сопротивление перехода в нормальном состоянии, определяемое геометрическими размерами структуры, прозрачностью ее границ и электрическими свойствами материала слабой связи. В силу основного соотношения Джозефсона в этом случае будут иметь место периодическое изменение во времени сверхтока Is. Таким образом, сверхток осциллирует с джозефсоновской частотой:

Напряжение на джозефсоновском элементе V(t) = In(t)Rn также будет осциллировать во времени с частотой f, и этот процесс носит название джозефсоновской генерации.

Основными типами источников флуктуаций в джозефсоновских переходах являются тепловые, дробовые и внешние («наводка»). Их описывает флуктуационная компонента тока If(T).

В случае, если не только V, но и производная dV/dt0, становится существенным ток смещения:

где C- собственная емкость перехода, степень влияния которой на процессы в джозефсоновских структурах определяется параметром [7,8]:

называется параметром емкости или параметром Мак-Камбера -Стюарта.

Таким образом, полный ток, протекающий через джозефсоновский переход, может быть записан в таком виде [1]:

Эквивалентная схема джозефсоновского перехода показана на рис. 1.1.

Наиболее важной и, вместе с тем, наиболее легко измеряемой характеристикой джозефсоновского перехода является его вольт-амперная характеристика (ВАХ), представленная на рис. 1.2. ВАХ представляет собой зависимость напряжения на джозефсоновском элементе V от задаваемого через него тока I. Эта характеристика отражает внутреннюю динамику джозефсоновского перехода, непосредственное наблюдение которой крайне затруднено из-за очень высокой частоты джозефсоновской генерации:

характерная джозефсоновская частота находится в диапазоне десятков и сотен гигагерц. Вольт-амперная характеристика джозефсоновского элемента состоит из сверхпроводящей или S-ветви, для которой V = 0, и двух резистивных или R-ветвей, где V 0. При отсутствии емкости R-ветви представляют собой в резистивной модели ветви гиперболы. Учет конечной емкости перехода, влияние которой, как уже было сказано выше, характеризуется параметром, приводит к неоднозначной, гистерезисной ВАХ.

уменьшение амплитуды осцилляций напряжения по мере увеличения джозефсоновского перехода его ВАХ характеризуется двумя основными особенностями: глубоким гистерезисом вследствие больших значений емкости С и специфической формой резистивной ветви ВАХ, обусловленной туннелированием квазичастиц (нормальных электронов) в такой структуре с учетом специфики энергетического спектра сверхпроводников.

Рис. 1.1 Эквивалентная схема джозефсоновского контакта. LЭ – индуктивность подводящих электродов, другие обозначения даны в тексте.

Рис. 1.2 Схематическое изображение ВАХ джозефсоновского контакта.

Сплошной линией показана ВАХ СИС перехода с большой емкостью, пунктир – характеристика перехода с малым влиянием емкости.

В сверхпроводниковой электронике применяются квантовые интерферометры. Наиболее распространен двухконтактный интерферометр, представляющий собой сверхпроводящее кольцо индуктивностью L, замкнутое двумя джозефсоновскими переходами. Такое устройство обладает свойствами, близкими к свойствам одиночного контакта, но с критическим током, зависящим от внешнего магнитного поля. Основной параметр интерферометра, называемый еще безразмерной индуктивностью, можно записать как l = 2LIc/Ф0. При l 30), с минимально допустимым разбросом параметров (Rn = 14 Ом ± 2%).

Изготовление таких структур стало возможным после разработки технологии изготовления СИС переходов на кварцевых подложках и выбора оптимальных режимов напыления [А9, А14 - 15, А18 - 19, А26 - 28, А44, А47 - 48, А57 - 58].

температуры на теплый вход СИС смесителя. Лучшие значения шумовой температуры СИС смесителя на теплый вход системы на частоте 109,8 ГГц при центральной частоте ПЧ 1,4 ГГц (DSB) составили 28 ± 7 К на первой квазичастичной ступени. В рамках сотрудничества между ИРЭ им.

В.А. Котельникова РАН и Королевской Академии наук Швеции в 1992 году описанный смеситель был испытан в Чалмерском технологическом университете (г. Гетеборг) с 3-линзовой системой ввода сигнала. На частоте 106 ГГц была получена шумовая температура приемника 31.2 К, что являлось рекордно низкой шумовой температурой для приемников квазиоптического типа на этой частоте.

Рис. 3.10. Автономная ВАХ СИС перехода (1), ВАХ под воздействием гетеродина (2), ПЧ-отклик на горячую (274 К, I) и холодную (100 К, II) нагрузки (3, 4).

3.6 Выводы по Главе В результате проведенных исследований были оптимизированы технологические режимы изготовления высококачественных туннельных переходов Nb/AlOx/Nb. Были найдены условия, когда механические напряжения в пленках ниобия минимальны.

В результате проведенной оптимизации были получены переходы с отношением сопротивлений под и над щелью Rj/Rn 40, величиной Vm = Ic·R(2 mB) 50 мB и размытием щелевого скачка Vg 100 мкВ.

Разброс основных параметров по подложке был менее 1% для переходов 10*10 мкм2 и не превышал 5 для переходов 2*2 мкм2.

На основе оптимизированных систем СИС переходов был создан ряд практических малошумящих приемников для радиоастрономии, которые были успешно испытаны на радиотелескопе обсерватории Онсала (Onsala, Швеция).

радиоастрономических исследований на 13,8 м радиотелескопе обсерватории Метсахови Хельсинского технологического университета (Финляндия) в двух частотных диапазонах- 3-х мм и 2-ух мм. Приемник построен по супергетеродинной схеме с СИС-смесителями на входе.

Однополосная шумовая температура приемника в обоих частотных каналах составляет 50-100 К. С апреля 2004 года и по настоящее время при помощи радиоастрономических наблюдений, в том числе в режиме интерферометра со сверхдлинной базой.

Глава 4. Интегральные сверхпроводниковые структуры включающих в себя детекторы и джозефсоновские осцилляторы [A20 - 25, A30, A33, A37, A38], позволило найти подходы к изготовлению интегральных микросхем, содержащих (в различных комбинациях) несколько нелинейных элементов для детектирования или преобразования частоты, планарные антенны, микрополосковые линии, трансформаторы импеданса и фильтры для передачи, согласования и разделения сигналов, а также интегрированный источник гетеродина субмиллиметровых волн и цепи стабилизации его частоты.

4.1 Интегральный сверхпроводниковый приемник (СИП).

Смесители на основе туннельных СИС переходов безусловно являются наилучшим входным устройством в мм и субмм диапазонах длин волн, их шумовая температура ограничена только квантовым пределом.

Гетеродинные СИС приемники используются в качестве штатных устройств на большинстве радиотелескопов. Однако при повышении частоты принимаемого излучения более 300 ГГц наблюдается существенное поглощение сигнала парами воды в атмосфере. Именно поэтому все субмм устанавливаются на борту специальных самолетов и спутников. При этом большие габариты, вес и высокая стоимость генераторов гетеродина в субмм диапазоне длин волн являются основными факторами, ограничивающими широкое использование субмм приемников. Отсутствие компактных и легко перестраиваемых источников гетеродина в субмм диапазоне длин волн является серьезной проблемой, которая обуславливает необходимость разработки интегральных сверхпроводниковых генераторов для работы совместно с СИС смесителями.

В нашей лаборатории была предложена концепция полностью сверхпроводникового интегрального приемника субмм волн, где в одной микросхеме объединены несколько планарных сверхпроводниковых компонентов - СИС смеситель с квазиоптической антенной, криогенный генератор гетеродина с системами стабилизации частоты. В будущем возможна интеграция усилителя промежуточной частоты, а также устройств для оцифровки принимаемого сигнала и его обработки в реальном масштабе времени.

гетеродина является Flux-Flow Oscillator (ФФО), основанный на однонаправленном вязком движении магнитных вихрей в длинном джозефсоновском переходе [73, 74]. Скорость и плотность потока флаксонов и, следовательно, мощность и частота излучаемого сигнала могут настраиваться независимо совместной подстройкой токов смещения и магнитного поля. Сверхпроводниковый ФФО был детально исследован в зарегистрирована мощность более 1 мкВт, что достаточно для накачки СИС смесителя [75, А 46]. Была продемонстрирована возможность перестройки частоты и мощности ФФО при изменении тока смещения и/или магнитного поля. В различных экспериментах было показано, что спектральная ширина линии излучения ФФО составляет величину порядка 1 МГц [74-76, A 78].

осцилляторами, с точки зрения технологии его изготовления, можно отнести отсутствие субмикронных размеров и, как следствие, относительную толерантность к отклонениям геометрических размеров. Однако для такого длинного (до 1 мм) СИС перехода очень важна его однородность, так как захват вихрей на неоднородностях барьера или электродов препятствует плавному течению вихрей магнитного поля, что затрудняет частотную перестройку ФФО.

4.2 Микросхема интегрального приемника.

Упрощенная принципиальная схема квазиоптического интегрального приемника со смесителем на одиночном СИС переходе представлена на рис. 4.1. На рис. 4.2 представлен общий вид центральной части чипа.

СИС переход размещен в центре двойной дипольной антенны, рассчитанной на центральную частоту 500 ГГц; на эту же частоту была настроена микрополосковая структура для компенсации емкости туннельного СИС перехода. Симметрия антенны позволила использовать с обеих сторон одинаковые подводы к смесителю с компланарными фильтрами для предотвращения утечки принимаемого сигнала. Правые фильтры (рис. 4.2) использовались для подсоединения СИС смесителя на постоянном токе и промежуточной частоте (ПЧ). Правые подводы использовались для подключения FFO [A39-42, A51-54, A61-63, A65-67, A69, A74].

Все соединения, как на постоянном токе, так и СВЧ выполнены с помощью сверхпроводниковых линий на основе пленок Nb со структурой Nb/SiO2/Nb, которые призваны обеспечивать малые потери на субмиллиметровых волнах, отсутствие захваченного магнитного потока (пиннинга вихрей магнитного поля) и высокие значения критического тока (более 100 мА).

Смещение Фильтр смещения Выход ПЧ 1,3…1,8 ГГц Кремниевая подложка Рис. 4.1. Упрощенная схема интегрального приемника со смесителем на В. П. Кошельцом.

Рис. 4.2. Центральная часть микросхемы сверхпроводникового интегрального приемника на частоту 500 ГГц. На увеличенной вставке показан трансформатор импеданса ФФО, где используются два различных слоя изоляции.

4.2.1. Технология изготовления микросхемы СИП.

Интегральные приемники изготавливались как в нашей лаборатории, так и в лаборатории SRON/FDL (г. Гронинген, Нидерланды).

Подложка, на которой изготавливается микросхема приемника, должна быть частью оптической системы, то есть должна быть изготовлена из того же материала, что и линза. Это вносит некоторые различия в технологический процесс изготовления микросхем для кварцевой или кремниевой оптики. Первые интегральные приемники [A 37 - 42] изготавливались на кварцевых подложках 15*24 по технологии, описанной в Главе 3. Решение перейти на кремниевые подложки ( = 11,7) было продиктовано следующими соображениями. 1) Монокристаллический кремний легко обрабатывается и из него, в отличие от кварца, достаточно просто изготовить асферические оптические элементы. 2) Чистый кремний имеет низкие диэлектрические потери на субмм волнах и в то же время поглощает значительную часть инфракрасного излучения. 3) Качество СИС структур на кремнии практически всегда выше, чем на кварце, за счет лучшей стабилизации температурного режима (хорошей теплопроводности подложки). В качестве подложек использовался монокристаллический высокоомный кремний, полированный с одной стороны и толщиной 0.5 мм.

Размер подложек для первых дизайнов интегрального приемника составлял 15*24 мм, для последующих - 2”. Основные шаги изготовления представлены схематически на рис. 4.3. Последовательность слоев и параметры их напыления представлены в табл. 4.1.

На очищенную в горячем (80оС) растворе кислоты (30 мл NH4OH 25%, 30 мл H2O2 30%, 150 ml DI воды) кремниевую пластину напылялся слой Al2O3, предотвращающий травление кремниевой пластины в процессе изготовления структуры.

Рис. 4.3 Диаграмма, поясняющая процесс изготовления многослойной интегральной схемы для приемника субмиллиметровых волн на кремниевой подложке:

(1) формирование нижнего электрода и напыление трехслойной структуры;

(2) формирование первого окна;

(3) RIE, анодизация и напыление первого слоя изоляции;

(4) формирование второго окна и RIE;

(5) анодизация и напыление второго слоя изоляции;

(6) формирование верхнего электрода;

(7) финальная структура; процесс осаждения Au не показан.

Таблица 4.1 Основные слои и режимы напыления при изготовлении микросхемы интегрального приемника.

Геометрия нижнего электрода формировалась методом взрывной литографии (шаг (1) на рис. 4.3). Трехслойная структура Nb/Al-AlOx/Nb осаждалась в едином вакуумном цикле. Оба металла, Nb и Al, напылялись dc магнетронным распылением. После напыления нижнего электрода Nb проводилось напыление Al и его последующее термическое окисление при комнатной температуре в атмосфере чистого кислорода. Использовались напылительные установки Leybold-560 и Nordico-2000 при изготовлении в ИРЭ и SRON/FDL соответственно.

использовались два метода. Первый метод, который мы называем «традиционным», заключается в формировании квадратного окна в слое изоляции SiO2. Второй метод – это так называемый метод изготовления окон «крестом». Важно отметить, что согласно требованиям rf дизайна, при изготовлении интегральных приемников осаждалось два слоя изоляции. В обоих случаях два перекрывающихся окна формировались методом SNEAP, используя позитивный фоторезист SPR2-1.3FX (шаги (2)-(5) на рис. 4.3).

Отличие заключалось в том, что для квадратных окон площадь перехода определяло первое окно (1*1 мкм) из двух концентрических окон, в то время как для переходов, изготовленных «крестом», площадь перехода - это область пересечения двух перпендикулярных полосок, размером 1*6 мкм каждая. Фотография формирования СИС переходов этими двумя методами представлена на рис. 4.4.

совмещения слоев – около 0,5 мкм.

Типичные параметры реактивно-ионного травления (RIE): давление смеси газов CF4 +3% O2 250 мбар, мощность 35 Вт. Изоляционные слои SiO осаждались rf магнетронным напылением в установке Leybold - Z400.

Резистор для ФФО формировался в месте большого СИС перехода. Чтобы удалить верхний ниобий трехслойной структуры Nb/Al-AlOx/Nb, этот большой «переход» стравливался реактивно-ионным травлением, процесс которого автоматически останавливался на слое Al. Алюминий трехслойки затем удалялся жидкостным травлением в растворе KOH. Нормальный металл (резистор) осаждался на место туннельного барьера методом взрывной литографии.

Геометрия замыкателя формировалась методом взрывной литографии (шаг 6 на рис. 4.3). Замыкатель из Nb осаждался dc магнетронныи распылением, толщина составляла 500-650 нм. На последнем этапе изготовления методом взрывной литографии формировались контактные площадки из золота.

После изготовления подложка разрезалась на отдельные чипы размером 5*5 мм. На подложке 15*24 мм размещалось 10 чипов, на 2” пластине - 50 чипов.

В смесителе использовались СИС переходы размером 12 мкм2 (в зависимости от варианта прибора). Большие размеры были выбраны для увеличения выхода годных приборов, однако, большинство экспериментальных исследований выполнялось с СИС переходами малой площади, так как они требуют меньше мощности СВЧ накачки, которая может быть реализована в более широкой полосе перестройки ФФО.

Распределенный джозефсоновский переход (ФФО) имел длину около 500 мкм и ширину 35 мкм. Плотность критического тока составляла jc = 58 кА/см2, что соответствует удельному сопротивлению барьера RnS = 2540 Ом · мкм2 и джозефсоновской глубине проникновения около 4 мкм. Всего по разработанной технологии автором изготовлено ~ микросхем интегрального приемника различных дизайнов. Выход годных составлял ~ 80% по предварительным dc тестам и ~ 25% после rf отбора.

Рис. 4.4. Два способа формирования переходов: традиционный метод (а) и метод формирования «крестом» (b).

методом «крест».

Как уже упоминалось выше, для формирования СИС переходов микронных размеров использовались два метода. Первый метод, который мы называем «традиционным», заключается в формировании квадратного окна в слое изоляции SiO2. Второй метод – это так называемый метод изготовления окон «крестом» (рис. 4.4). Из рисунка видно, что второй метод позволяет получать переходы правильной квадратной формы. Мы обнаружили, что второй процесс RIE при этом методе формирования окон должен быть по времени дольше, что можно объяснить сложностью вытравливания Nb сквозь узкую щель в первом слое изоляции [A88]. Причем, чем меньше размер перехода, тем меньше скорость травления ниобия. Скорость травления Nb при формировании первого окна 0.6 нм/сек, а скорость при вытравливается не полностью и остается по краям перехода (в виде тонкого черного канта), то вольт-амперные характеристики такого перехода ухудшаются. Это можно объяснить тем, что оставшийся тонкий ниобий имеет плохие сверхпроводниковые свойства – низкое Тс и меньшее значение Vg. На рис. 4.5 показаны этапы формирования перехода: а) до второго RIE (сформирована вторая длинная резистивная полоска); б) после второго RIE (ниобий полностью стравился).

Сверхпроводящие схемы на основе микрополосков, изготовленных методом тонких пленок, предъявляют жесткие требования к точности толщин слоев, в особенности изоляции (лучше 10%). Мы контролировали толщину каждого слоя изоляции с помощью профилометра “Alfa step”. Во время второго процесса реактивно-ионного травления Nb первый слой изоляции также подвергается травлению (скорость травления SiO2 ~ 0.1 нм/сек), поэтому толщина первого слоя изоляции измерялась дважды – Рис. 4.5 Процесс формирования перехода методом «крест»:

а) до второго RIE (сформирована вторая длинная резистивная полоска);

б) после второго RIE (ниобий полностью стравился).

до и после травления. Для того, чтобы добиться правильной суммарной толщины изоляции, толщина второго слоя SiO2 корректировалась и напылялась большее на величину, равную той, на которую уменьшилась толщина первой изоляции во время второго процесса реактивно-ионного травления.

4.2.3 Оптимизация края пленок микрополосковой линии.

Для управления микросхемой интегрального приемника используются 4 источника постоянного тока. Два источника тока нужны для смещения СИС перехода и для его контрольной линии, чтобы локализованным магнитным полем подавить эффект Джозефсона в смесителе. Два других независимых источника используются для смещения ФФО и для его контрольной линии, которая задает на нем другое значение локального магнитного поля. Это необходимо для независимой оптимизации эффекта Джозефсона в осцилляторе (источнике гетеродина). Выделение тепла в такой микросхеме определяется, главным образом, энергопотреблением ФФО и составляет не более 50 мкВт. В других сверхпроводящих элементах системы выделение тепла либо отсутствует, либо пренебрежимо мало.

На рис. 4.6 показан крупно смеситель с антенной двойной диполь. На рис. 4.7 хорошо видна тонкая линия инжекции гетеродина шириной около 1 мкм, которая обеспечивает высокий импеданс подсоединения (около 80 Ом). От точности выполнения этого элемента зависит точность баланса мощности гетеродина и потери сигнала при передаче от антенн к смесительному элементу.

К особенностям схемы можно отнести наличие защитного резистора, изготовленного из золота, который имеет сопротивление доли Ома и шунтирует узкую (3 мкм) сверхпроводящую контрольную линию СИС смесителя. Назначение этого резистора – предотвратить перегрузку СИС смесителя током источника магнитного поля, что может произойти при переходе контрольной линии в нормальное (резистивное) состояние, вызванное нежелательным вхождением вихрей магнитного потока из-за неоднородностей сверхпроводниковой пленки, которая, как было сказано выше, может нести ток, близкий к критическому. Перестройка частоты ФФО производится магнитным полем тока, пропускаемого по пленке нижнего электрода, который играет роль контрольной линии.

Изготовление тонкой линии настроечного элемента СИС смесителя, способной одновременно обеспечить согласование по СВЧ с малыми потерями, а также выдержать ток, необходимый для полного подавления эффекта Джозефсона, является одним из наиболее критических моментов во всей процедуре изготовления микросхемы. Теоретически, микрополосковая линия из ниобия над экраном толщиной более 200 нм имеет критический ток около 1 ампера. Однако в цепи магнитного поля, конкретно, в СВЧ фильтрах, пленка контрольной линии не имеет экрана (рис. 4.8). При отсутствии экрана ток в пленке концентрируется у ее краев, что приводит к понижению критического тока цепи магнитного поля. В силу этого эффекта критический ток пленки может снизиться больше, чем на порядок, в особенности, если химико-физические свойства края пленки не оптимизированы. Неоднородности края пленки способствуют захвату вихрей магнитного поля, то есть разрушению сверхпроводимости.

Экспериментально было установлено, что пленка с истонченным краем имеет значительно более низкий критический ток (вплоть до 10 мА). Пример такой структуры приведен на рис. 4.9. Причина такой аномалии может быть объяснена, как недостаточно оптимизированным процессом взрывной литографии (слишком широкий нависающий край фоторезиста), так и недостаточно плавной формой края нижележащих пленок изолятора.

Последняя проблема является одной из ключевых в технологии тонких пленок.

Рис. 4.6. Смеситель сверхпроводникового интегрального приемника на частоту 500 ГГЦ с двойной дипольной антенной. Поле зрения 100 мкм * 150 мкм.

Рис. 4.7 Центральная часть смесителя сверхпроводникового интегрального приемника с одиночным СИС переходом.

Рис. 4.8 Фотография широкополосного СВЧ фильтра (400-600 ГГц), встроенного в микрополосковую линию. Фильтр блокирует ток ПЧ и разрывает оба электрода микрополосковой линии по постоянному току;

использован для подачи мощности гетеродина от ФФО к СИС смесителю интегрального приемника. Здесь же показана топология контрольной линии магнитного поля, включенной в состав полосового стоп-фильтра СВЧ.

Рис. 4.9 Фото центральной части СИС смесителя, выполненное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Фото демонстрирует топологию крестообразного СИС-перехода микронного размера, а также истонченный край пленки верхнего электрода (контрольной линии СИСсмесителя), изготовленную методом нависающей маски фоторезиста Были проведены исследования по изготовлению замыкателя с вертикальным профилем. Такой профиль можно было бы получить, используя метод прямой литографии (метод травления) вместо метода взрывной литографии. При прямой литографии пленка, в которой формируется рисунок, нанесена на подложку до формирования слоя резиста.

Передача рисунка на пленку осуществляется травлением. Рисунок, получаемый на пленке, соответствует рисунку маски.

положительных результатов. Травление толстой пленки Nb (толщина замыкателя 500-650 нм) приводило к подтраву тонкой линии инжекции гетеродина, ширина которой в готовом виде должна быть 1 мкм.

Дальнейшие исследования были направлены на оптимизацию процесса взрывной литографии, а именно, выбора параметров формирования резистивной маски. Экспериментально были подобраны следующие режимы: 1) фоторезист AZ5214E (в данном случае он используется в качестве позитивного резиста) наносится на подложку методом центрифугирования в течение 30 секунд со скоростью вращения 4000 rpm;

2) сушка при 90°C в течение 20 мин; 3) засветка резиста 17 сек при интенсивности лампы 4.2 мВт/см2; 4) проявление резиста 40 сек в KOH.

Оптимизация края пленки позволила увеличить критический ток до значения более 150 мА, что является заведомо достаточным для правильной работы СИС смесителя. Результат тестирования улучшенной структуры верхнего электрода представлены на рис. 4.10.

Критический ток (µA) контрольной линии СИС-смесителя, необходимой для подавления эффекта Джозефсона. Видно уверенное достижение третьего минимума критического тока СИС-перехода.

4.2.4 Экспериментальное исследование интегрального приемника.

Испытания интегрального приемника проводились так же, как и тестовые измерения ФФО, в тщательно сконструированном двухслойном цилиндрическом магнитном экране, который устанавливался в гелиевый криостат с оптическим окном. Квазиоптический луч антенны переключался с помощью системы зеркал (модулятора) между холодным (78 К) и горячим (295 К) поглотителями. Поглотители играли роль абсолютно черного тела, для которого спектральная плотность излучения характеризуется его физической температурой. Проводилось также сравнение шумовой температуры приемника на основе сверхпроводниковой интегральной микросхемы при использовании внутреннего и внешнего источников гетеродина. Внешний гетеродин позволял получить несколько лучшую шумовую температуру, что можно объяснить вкладом амплитудномодулированного шума внутреннего гетеродина (ФФО). Следует отметить, что в балансном варианте интегрального приемника (описан ниже) амплитудные шумы ФФО подавлялись, что выразилось в падении шумовой температуры ниже 100 К.

Для управления микросхемой интегрального приемника путем взаимной оптимизации всех четырех источников смещения, а также сбора экспериментальных данных была использована компьютерная система «IRTECON». Эта же система использовалась для тестирования чипов на этапе их предварительного отбора сразу после изготовления (подробнее описано в Главе 2). Кроме измерения ВАХ микросхемы, установки и поддержанию необходимых токов смещения, система «IRTECON» может выполнять сложные вычисления и преобразования с данными, а также управлять ходом эксперимента.

4.3 Приемник с балансным СИС смесителем Балансный смеситель был задуман с целью обеспечить максимальную связь с гетеродином, не принося в жертву связь СИС смесителя по сигналу.

Общим свойством балансных схем является подавление синфазных помех, которые в нашем случае могут быть представлены амплитудной модуляцией мощности ФФО. Однако для достижения высоких значения подавления помех необходима хорошая балансировка структуры, что в первую очередь определяется одинаковостью электрических параметров двух СИС переходов смесителя, включая цепи согласования и подвода сигнала.

Особенность схемы является противофазный сигнал ПЧ, возникающий на двух смесительных переходах. Для их объединения использовались внешний фазовращатель. Мощность гетеродина подводится, как и в случае одиночного смесителя, по микрополосковой линии шириной 4 мкм и длиной около 1 мм, протянутой поверх СВЧ стоп-фильтров одной из антенн. Связь этой линии со смесителем и последовательное возбуждение цепочки из двух СИС переходов осуществляется посредством приложения СВЧ напряжения к щели, разделяющей два смесительных СИС перехода, как показано на рис. 4.11. Реактивное замыкание линии гетеродина на щель производится за счет разомкнутого на конце отрезка той же линии, играющего роль блокировочного конденсатора.

Подтверждением эффективности балансного смесителя с внутренним гетеродином может служить экспериментальный факт – шумовая температура балансного интегрального приемника уверенно достигла границы в 100 К (рис. 4.12). Это составляет менее 10 фотонов, что признано критерием для лучших СИС приемников с внешним гетеродином.

К антенне- Рис. 4.11. Центральная часть балансного СИС смесителя сверхпроводникового интегрального приемника на 500 ГГц.

Рис. 4.12 Шумовая температура сверхпроводникового интегрального приемника с балансным СИС смесителем и внутренним гетеродином на основе ФФО. Экспериментальные данные получены и обработаны В.П. Кошельцом и А.М Барышевым с применением программы “IRTECON”.

4.4 Примеры применения интегрального приемника Была разработана приемная матрица из 9-ти пикселей на основе небалансного варианта приемной микросхемы (рис. 4.13). Такая матрица устанавливалась внутри магнитного экрана, аналогичного тому, что использовался при исследовании одиночного интегрального приемника, но большего размера. Магнитный экран с матрицей внутри монтировался на холодное дно вакуумного криостата. Исследовались центральный и один из крайних пикселей, чтобы определить возможное влияние близко расположенных стенок экрана.

На основе того же небалансного чипа был создан лабораторный СВЧ тестер, с помощью которого в университете города Эрлангена (Германия) был проведен уникальный эксперимент по регистрации излучения терагерцового диапазона из слоистой туннельной структуры ВТСП [77].

Рис. 4.13 Фотографии детекторного блока матричного приемника на диапазон частот 450-550 ГГц, содержащего девять независимых и взаимозаменяемых пикселей. Каждый пиксель представлен квазиоптическим интегральным приемником (слева). Пиксель показан с тыльной стороны, со стороны приемного чипа размером 4 х 4 мм, установленного на микроволновой линзе (на левом рисунке не видна). Сборка из девяти пикселей показана со стороны входной апертуры (справа); видны кремниевые линзы с полимерным просветляющим покрытием. Конструкция матричного приемника разработана с участием инженеров Национального института космических исследований Нидерландов (SRON-Groningen).

4.5 Интегральный сверхпроводниковый спектрометр для проекта TELIS.

Для большинства практических применений интегрального приемника необходима стабилизация частоты гетеродина и синхронизация его к опорному генератору. В нашей лаборатории в рамках международного проекта TELIS (Terahertz Limb Sounder) совместно с Институтом космических исследований Нидерландов (SRON) была разработана концепция полностью сверхпроводникового интегрального приемника (СИП) субмм волн. СИП для проекта TELIS объединяет на одной микросхеме малошумящий СИС смеситель, планарную сверхпроводниковую антенну, сверхпроводниковый генератор на потоке джозефсоновских вихрей (ФФО), использующийся в качестве гетеродина, и гармонический смеситель (ГС) для стабилизации частоты этого генератора [A104, A106 - 108, A111, A118 - 120]. При подаче лишь постоянного питания от батарей эта микросхема работает как супергетеродинный приемник в субмм диапазоне длин волн, не требуя никакого дополнительного СВЧ оборудования.

Спектрометр предназначен для исследования распределения в атмосфере различных соединений (таких, как ClO, BrO, O3, HCl, HOCl, воды H2O и трех ее изотопов, и многих других) в режиме лимбового зондирования с борта высотного аэростата. Основное зеркало телескопа может поворачиваться вокруг горизонтальной оси, обеспечивая лимбовое (наклонное) сканирование в диапазоне высот от верхней стратосферы (30 – 40 км) до верхней тропосферы (10 км). Неохлаждаемый квазиоптический тракт мультиплексирует принятый сигнал, распределяя его на несколько измерительных каналов, работающих одновременно. Специальное управляемое зеркало может направить на входную апертуру каждого из каналов для радиометрической калибровки излучение абсолютно черного квазиоптического тракта, схема которого подробно описана в работах [73, 74], исследуемый сигнал фокусируется на антенне микросхемы СИП. Сама микросхема устанавливается на поверхности кремниевой линзы [A104, A107], которая закреплена в специальном блоке, обеспечивающем охлаждение микросхемы вместе с окружающими ее элементами, а также крепление платы с первичными фильтрами, по которой передаются радиочастотные сигналы от микросхемы и задаются токи питания чипа (рис. 4.14) Концепция СИП [78] выглядит очень привлекательной для TELIS, благодаря широкому диапазону перестройки ФФО. В настоящее время, частотный диапазон большинства применяемых гетеродинных приемников ограничен возможностью перестройки гетеродина. В твердотельных умножающих цепях диапазон перестройки не превышает обычно 10-15 % от центральной частоты. В СИП диапазон, в основном, определяется настроечной структурой СИС смесителя и согласующей цепью между ним и ФФО; при использовании СИС смесителя с двумя переходами может быть получен диапазон перестройки 30 – 40 %. В базовом варианте проекта TELIS канал СИП будет работать в диапазоне 600 - 650 ГГц, с перспективой дальнейшего увеличения диапазона до 500 - 650 ГГц. Целью является достижение однополосной шумовой температуры приемника менее 400 К во всем интересующем диапазоне частот (для базовой опции в диапазоне 600 ГГц ожидается минимальная шумовая температура всего лишь 200 К).

Рис.4.14 Фотография микросхемы СИП, смонтированная на линзе в смесительном блоке с платой смещения.

4.5.1 Технология изготовления микросхема интегрального приемника для проекта TELIS.

Сверхпроводниковый интегральный приемник для проекта TELIS объединяет на одной микросхеме с размерами 4 х 4 х 0,5 мм малошумящий СИС смеситель с квазиоптической антенной, сверхпроводниковый генератор на потоке джозефсоновских вихрей (ФФО), использующийся в качестве гетеродина, и гармонический смеситель (ГС) для фазовой стабилизации частоты этого генератора. Фото микросхемы представлено на рис. 4.15. Хотя все элементы приемника, расположены на площади примерно 1 мм х 1 мм, размеры чипа, главным образом, определяются размером контактных площадок, выбранным достаточно большим для облегчения процесса их присоединения к внешней системе посредством ультразвуковой сварки. На рис. 4.16 показана микрофотография центральной части микросхемы.

Исходя из требований проекта (частотный диапазон 500-650 ГГц, шумовая температура менее 250 К, спектральное разрешение менее 1 МГц), были сформулированы основные требования к технологии изготовления переходов должны быть для СИС переходов 0.8 мкм2, для ГС - 1.0 мкм2 и ФФО – 6400 мкм2. Точность совмещения слоев менее 0.5 мкм, разброс по толщинам слоев < 10%.

интегрального спектрометра такая же, как и при изготовлении интегрального приемника на одиночном СИС переходе (рис. 4.3). Новые технологические требования к изготовлению микросхемы потребовали проведения оптимизации всех процессов напыления. Толщины слоев и режимы напыления представлены в таблице 4.2.

Рис.4.15 Фотография микросхемы интегрального приемника для проекта TELIS.

Рис. 4.16. Микрофотография центральной части микросхемы СИП.

Показаны основные элементы интегрального приемника. Размер видимой части 1.5 х 1 мм. На увеличенных фрагментах показаны смеситель с двумя СИС переходами и гармонический смеситель (ГС).

Таблица 4.2 Основные слои и режимы напыления при изготовлении микросхемы сверхпроводникового интегрального приемника для проекта TELIS на основе туннельных переходов Nb/Al-AlOx/Nb.

После изготовления подложка размером 24*24 мм разрезалась на отдельные чипы. После проведения всесторонних измерений по постоянному току, несколько чипов с «хорошими» ВАХ СИС-переходов и ФФО и достаточной накачкой ГС в требуемом диапазоне отбираются для дальнейших исследований с помощью Фурье-спектрометра (ФС) и измерений шумовой температуры.

По данной технологии было изготовлено около 50 подложек с различными дизайнами СИП (Т2, Т2м, Т3, Т4), на каждой из которых размещалось 21 микросхема интегрального приемника. Выход годных, например, для подложки Т2м-031, составляет > 90%.

субмикронных размеров.

является одной из ключевых задач при изготовлении микросхем сверхпроводникового интегрального приемника. Такие переходы должны быть высокого качества, не менять свои характеристики при многократных термоциклированиях, обладать хорошей воспроизводимостью и малым разбросом параметром по подложке. Наиболее важным требованием при изготовлении микросхем СИП оказалась итоговая площадь переходов, так как даже изменение площадей на 0.1-0.2 мкм приводит к значительному сдвигу рабочей частоты.

Для выполнения этих требований необходимо было провести оптимизацию условий формирования резистивной маски субмикронных размеров методами оптической литографии, а также провести исследование процесса реактивно-ионного травления и найти оптимальные условия анизотропного травления пленки Nb c минимальным и контролируемым подтравом.

Для формирования резистивной маски мы использовали позитивный резист Microposit S1813 Shipley Corporation. Резист наносился методом центрифугирования в течение 50 сек при частоте вращения 5000 об/мин, толщина резиста при этом составляет 1,14 мкм. Такая тонкая толщина резиста выбрана сознательно, так как точность передачи изображения напрямую зависит от толщины фотослоя. Для увеличения адгезии фотослоя к подложке использовался гексаметилдисилазан (C6H19NSi2), парами которого подложка обрабатывалась перед нанесением фоторезиста.

Первая термическая сушка фоторезиста проводилась в сушильном 95оС в течение 30 мин. Подбор оптимального времени шкафу при экспонирования осуществлялся экспериментально, при этом учитывалась взаимосвязь режимов экспонирования, времени проявления и температуры проявителя. Экспонирование производилось на установке МА150 фирмы “Karl Zuss”. Оптимальное время экспонирования составило 17 сек при лампы 4.2 мВт/см2. Проявление проводилось в растворе интенсивности проявителя MF312+H2O в соотношении 1:1 в течение 45 сек. Во избежание нарушения качества передачи изображения при контактной фотолитографии (локальные дефекты, неточное совмещение, неточная передача заданных фотошаблоном размеров) каждый этап литографического процесса сопровождался тщательным контролем с помощью микроскопа.

Были проведены исследования зависимости скорости травления Nb при разных мощностях (30, 50 и 100 Вт) от давления газов CF4, SF6 и смеси газов CF4 +3%О2. Графики представлены на рис. 4.17. Замечено, что скорость травления Nb от SF6 в рабочей камере при невысоких мощностях разряда (30-50 Вт) мало меняется с изменением рабочего давления в камере.

При более высоких мощностях разряда (100 Вт) скорость травления линейно возрастает с увеличением рабочего давления. Скорость травления Nb от давления CF4 в рабочей камере линейно возрастает с увеличением рабочего давления при низких и высоких мощностях разряда. Скорость травления Nb от давления смеси газов CF4+3%О2 возрастает с увеличением мощности.

Были подобраны следующие режимы травления: O2 2 sccm, CF 34 sccm, 1.5*10-1 мбар, 50Вт. Скорость травления Nb ~ 6 /сек.

Известно, что наиболее существенными факторами, влияющими на процесс реактивно-ионного травления, являются [75, 76]:

• Состав рабочего газа – доминирующий фактор, определяющий скорость травления;

• Давление рабочего газа в камере. При понижении давления возрастает анизотропность процесса травления, так как возрастает длина свободного пробега химически активных частиц, в результате чего вероятность их попадания на боковые стенки подвергаемых травлению элементов снижается;

• Мощность ВЧ разряда. Как правило, с увеличением мощности скорость травления монотонно возрастает до определенного значения, пока режим не стабилизируется;

• Скорость потока. Скорость потока рабочего газа определяет максимально возможный приток к подложке реакционно-способных компонент;

• Температура. Температурная зависимость скорости реактивного ионноплазменного травления определяется главным образом влиянием температуры на скорость протекания химических реакций. Для обеспечения однородных и воспроизводимых скоростей травления необходимо контролировать температуру подложки. Основной причиной нагрева теплоизолированных подложек является их разогрев плазмой.

Кроме того, заметный вклад в повышение температуры может вносить тепло, выделяемое в результате протекания экзотермических реакций травления;

Рис. 4.17. Зависимости скорости травления Nb от давления газа SF6 (а), CF (б) и смеси газов CF4+3% O2 (в).

• 3агрузочный эффект. Проявляется в уменьшении скорости травления материала при увеличении площади его обработки, начиная с какогонибудь граничного значения. То есть, процесс лимитируется доставкой химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала.

Поэтому в процессах реактивного ионного травления необходимо постоянно контролировать такие динамические параметры, как подаваемая мощность, давление, скорость расхода газа и подвергаемая травлению площадь.

Травление ниобия проводилось в установке «March Jupiter II»

(подробно установка описана в Главе 2), оборудованной водоохлаждаемым нижним электродом, температура которого поддерживалась во время процесса при 190С. Контроль окончания процесса травления осуществлялся визуально по подложке-«свидетелю» с пленкой Nb, толщина которой соответствовала толщине верхнего электрода трехслойной структуры.

Площадь готовых СИС переходов контролировался с помощью оптического микроскопа, а также определялась из ВАХ тестовых подложек-«свидетелей», трехслойка которых напылялась в едином цикле с микросхемами СИП.

4.6 СИП на основе структуры Nb/Al-AlN/NbN.

Расширение частотного диапазона сверхпроводниковых приемных устройств до 1 ТГц весьма желательно для большинства практических приложений. Рабочая частота сверхпроводящих схем с переходами Nb/AlAlOx/Nb и настроечными структурами из ниобия ограничена частотами до 700 ГГц, так как энергия фотонов на частотах выше 700 ГГц больше энергетической щели ниобия, что приводит к существенным потерям в ниобиевых настроечных структурах. Качество СИС переходов на основе структуры Nb/Al-AlOx/Nb при RnA 2025 Ом*мкм2 заметно ухудшается и Rj/Rn не превышает 20. В нашей лаборатории П.Н. Дмитриевым была разработана технология изготовления туннельных переходов с барьером из Al-AlN и верхним электродом NbN, что позволило поднять значение щелевого напряжения до 3.7 мВ (это соответствует джозефсоновской частоте 900 ГГц). Использование структур Nb/Al-AlN/NbN обеспечивают значительное улучшение качества СИС переходов (при jc = 58 kA/cm параметр качества Rj/Rn > 30) и могут быть рекомендованы в качестве смесительного элемента в микросхемах СИП для проекта TELIS.

Были изготовлены и исследованы несколько серий интегральных приемников на основе структуры Nb/Al-AlN/NbN [A121, A125]. В наших схемах верхний электрод как СИС переходов микронного и субмикронного размеров, так и верхний электрод ФФО, длиной в сотни микрон, были выполнены из NbN. На верхний электрод переходов (NbN) напылялся слой Nb, формирующий токоведущие линии и СВЧ структуры для передачи сигнала и согласования элементов схемы. Поскольку частотный диапазон для СИП в проекте TELIS лежит в диапазоне ниже щелевой частоты Nb, использование настроечных структур из ниобия предпочтительнее, так как потери в ниобиевых настроечных структурах меньше по сравнению с NbN. В то же время, фотолитографические шаблоны, разработанные для Nb СИП, могут использоваться и для изготовления приемников с Nb/Al-AlN/NbN переходами, так как небольшое изменение импеданса ФФО из-за замены туннельного барьера на AlN, а верхнего электрода на NbN, не приводит к сильному изменению импеданса и рассогласованию структур.

Последовательность слоев и режимы изготовления микросхемы на основе Nb/Al-AlN/NbN представлены в таблице 4.3 Режимы травления NbN при формировании геометрии переходов следующие: давление смеси газов CF4 +4 % O2 1*10-1 мбар, мощность 50 Вт, время травления 2 мин.

На рис. 4.18 показаны ВАХ СИС переходов на основе туннельной структуры Nb/Al-AlN/NbN (площадь около 2 мкм2) с накачкой от Nb/AlAlN/NbN ФФО (сплошная линия – накачанная ВАХ, пунктирные- с накачкой на различных частотах). Можно видеть, что ФФФ обеспечивает более чем достаточную мощность для накачки СИС смесителя в тестовой схеме с низкими потерями в цепи согласования, настроенной на частоты 500ГГц. Для работы СИП этой мощности также достаточно.

Таблица 4.3 Основные слои и режимы напыления при изготовлении микросхемы сверхпроводникового интегрального приемника для проекта TELIS на основе туннельных переходов Nb/Al-AlN/NbN.

Рис. 4.19. Автономная ВАХ СИС-смесителя на основе структуры Nb/AlN/NbN и ВАХи для разных частот сигнала гетеродина, подаваемого от интегрального ФФО на основе структуры Nb/AlN/NbN. Измерения выполнены М.Ю. Торгашиным.

приемника, объединяющая структуры с разными плотностями тока на одном чипе.

Как уже говорилось выше, для улучшения частотных характеристик СИС смесителей, таких как ширина входной полосы смесителя, требуются туннельные СИС переходы с минимальной степенью влияния шунтирующей ёмкости, которая определяется параметром с = 2·f·Rn·A·Ceff, то есть переходы с минимальным значением RnA. С другой стороны, увеличение плотности тока ФФО выше 5 кА/см2 приводит к заметному усилению эффекта джозефсоновской самонакачки и уширению линии, что делает невозможной реализацию режима фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) генератора с достаточно высоким спектральным качеством. Поэтому для оптимальной работы всего приемника в целом плотность тока СИС плотности тока требует СИС переходов субмикронных размеров для получения требуемых импедансов), а для ФФО и гармонического смесителя составлять приблизительно 4 kA/cm2.

Для реализации этой задачи была также оптимизирована технология, позволившая впервые изготовить микросхемы СИП, объединяющие структуры с разными плотностями тока на одном чипе.

Первым этапом на очищенную кремниевую пластину размером 24*24 мм rf магнетронным распыление напылялся буферный слой Al2O толщиной 100 нм. Затем формировалась резистивная маска с нависающим профилем с геометрией, обратной геометрии нижнего электрода трехслойной структуры той части, где расположен СИС смеситель.

Трехслойная структура напылялась в едином вакуумном цикле, туннельный барьер формировался с оптимальной для СИС смесителя плотностью тока jc = 8 kA/cm2. После проведения lift-off и тщательного контроля профиля структуры и чистоты подложки, формировалась новая резистивная маска с геометрией, обратной геометрии нижнего электрода трехслойной структуры той части, где расположен гармонический смеситель и ФФО. При этом уже сформированная трехслойная структура для СИС смесителя закрывалась фотослоем. Затем опять напылялась трехслойная структура, но туннельный барьер формировался с плотностью тока, оптимальной для ФФО и ГС, т.е.

4 kA/cm2. После проведения взрыва мы получали на подложке полностью сформированные две структуры с разными плотностями тока, геометрия которых соответствовала нижнему электроду сверхпроводникового интегрального приемника. Стоит отметить, что толщины электродов для структур с разными плотностями тока должны быть одинаковыми.

Дальнейшее изготовление СИП проходило аналогично технологии, разработанной для изготовления СИП с одной трехслойной структурой.

На рис. 4.19 представлена микрофотография центральной части СИП, объединяющая структуры с разными плотностями тока на одном чипе (а) и увеличенная фотография места совмещения этих структур (б).

Рис. 4.19. Микрофотография центральной части СИП, объединяющая структуры с разными плотностями тока на одном чипе (а) и увеличенная фотография места совмещения этих структур (б).

В процессе создания микросхем интегрального приемника была апробирована концепция эффективной изоляции управляющих магнитных полей с помощью интегральных контрольных линий. Было проведено исследование и разработаны технологические подходы к созданию контрольных линий на основе пленок Nb с малыми СВЧ-потерями и высоким критическим током, вплоть до 150 мА при ширине пленки около 3 мкм. В результате была получена оптимальная связь между СИС смесителем и сверхпроводниковым джозефсоновским осциллятором (ФФО), а также низкие шумовые температуры квазиоптических СИС-смесителей с интегральными линиями магнитного поля. Экспериментальное исследование сверхпроводниковых приемных интегральных микросхем с внутренним гетеродином продемонстрировало, что их использование позволяет не только принципиально снизить вес, энергопотребление и стоимость приемников, но и реализовать низкую шумовую температуру всего устройства.

При исследовании квазиоптического интегрального приемника с балансным СИС смесителем, интегрированным с источником гетеродина на основе ФФО, был достигнут необходимый баланс во всех цепях микросхемы, что говорит о высоком качестве технологического процесса.

Была реализована шумовая температура приемника менее 100 К на частоте 500 ГГц при ширине полосы около 20 %, что находится на уровне лучших приемных систем, использующих внешний источник гетеродина.

Надежность технологического процесса сверхпроводниковых приемных микросхем можно продемонстрировать на примере девятиэлементного матричного приемника на центральную частоту 500 ГГц, каждый пиксель которого представлен независимой сверхпроводниковой приемной микросхемой, содержащей внутренний источник гетеродина.

Были изготовлены и исследованы микросхемы спектрометра нового поколения, удовлетворяющие всем требованиям проекта по дистанционному исследованию атмосферы с борта высотного аэростата в диапазоне 500 – 650 ГГц (проект TELIS, выполняемый совместно с Институтом космических исследований Голландии). Для бортового интегрального приемника реализована шумовая температура менее 120 К (DSB), полоса ПЧ 4 – 8 ГГц, спектральное разрешение лучше 1 МГц. Первый тестовый полет проведен в июне 2008 г. на полигоне Терезина в Бразилии.

Разработана технология изготовления микросхем интегрального приемника, позволяющая объединять структуры с разными плотностями тока на одном чипе.

Глава 5. Детекторы рентгеновского излучения на основе туннельных переходов В настоящее время в России и за рубежом проводятся работы по созданию новых детекторов рентгеновского и оптического излучения на основе сверхпроводящих туннельных переходов (СТП) [81-83]. Эти детекторы должны обладать высоким энергетическим разрешением и низким порогом регистрации по энергии. Конструктивно СТП-детекторы представляют собой СИС переход – два сверхпроводящих электрода, разделенных тонким слоем изолятора. Поглощение кванта излучения в одном из электродов приводит к разрыву куперовских электронных пар и возникновению неравновесных квазичастиц, туннелирование которых через изолирующий слой образует сигнал детектора.

Число возникающих квазичастиц N0 пропорционально энергии кванта излучения E и обратно пропорционально ширине сверхпроводящей щели в электроде, в котором поглощается квант. Поскольку имеет порядок миллиэлектронвольта, число образующихся квазичастиц на три порядка больше, чем в обычных полупроводниковых детекторах. Именно это определяет возможность существенно улучшить энергетическое разрешение и снизить порог регистрации в туннельных детекторах. Ожидаемое энергетическое разрешение для детекторов с электродами из Nb составляет 4-10 эВ для рентгеновской линии 6 кэВ. При таком энергетическом разрешении детекторы становятся чувствительными к химическому сдвигу рентгеновских линий и могут быть использованы в рентгенофлуоресцентном анализе для определения не только количества элемента, но и его химического состояния.

5.1 Общие требования к разработке СТП-детекторов.

Приступая к разработке и изготовлению СТП детекторов, необходимо определить ряд параметров: выбрать материал электродов, площадь и форму электродов, толщину электродов, прозрачность туннельного барьера, расположение и вид токоподводящих дорожек и т.д.

Материал электродов. При выборе материала необходимо прежде всего учитывать температуру сверхпроводящего перехода Тс, которая фактически определяет диапазон рабочих температур детектора. Рабочая температура должна быть много ниже Тс (более чем 10 раз), чтобы обеспечить вымораживание тепловых квазичастиц и снижение туннельного тока до уровня, обеспечивающего малый вклад электронных шумов в ширину линии детектора.

В данной работе в качестве основного материала электродов использовался ниобий. Nb имеет наибольшую среди элементов температуру сверхпроводящего перехода (ТсNb = 9.1 K), поэтому рабочая температура детекторов может находиться в области температур, обеспечиваемых путем откачки паров жидкого гелия (1.1 – 1.5 K).

Важнейшее значение при выборе материала для СТП детекторов, является наличие технологии изготовления туннельных барьеров. Для пленок ниобия разработана и широко применяется технология, основанная на создании изолирующего барьера с помощью окиси алюминия AlOх [84, 85]. Суть этой технологии подробно описана в главе 2. Достоинствами СИС переходов на основе структуры Nb/Al-AlOx/Nb является стабильность туннельных характеристик в условиях многократных циклов охлаждения и нагрева и возможность подгонки прозрачности туннельного барьера в зависимости от задач эксперимента.

Площадь электродов.

Площадь СТП детекторов ограничена целым рядом факторов. Одним из основных факторов является электрическая емкость детектора, которая в значительной степени определяет уровень электронных шумов. СТП детекторы характеризуются относительно большой емкостью, которая обусловлена малой толщиной туннельного барьера. Так, туннельный переход площадью 150150 µм2 имеет емкость около 1000 pF. При такой большой емкости для обеспечения необходимого уровня шумов при работе с реально существующими усилителями необходимо иметь исключительно дифференциальное сопротивление Rd, на уровне 1 МОм. В то же время, туннельные переходы имеют малое нормальное сопротивление RN (при Т > Tc), на уровне долей Ома, которое необходимо для обеспечения высокой скорости туннелирования неравновесных квазичастиц. Как упоминалось выше, для получения предельных электрических характеристик проводят охлаждение детекторов до температур много ниже Tc, когда происходит вымораживание туннельного квазичастичного тока. Однако этот процесс ограничен токами утечки, которые также возрастают при увеличении площади детектора. В результате, площадь порядка 2104 µм2 фактически является предельной для СТП детекторов.

Следует также отметить, что размеры туннельных переходов не должны превышать джозефсоновскую глубину проникновения [11]. При приложении магнитного поля к туннельным переходам с размерами большими, чем джозефсоновская глубина проникновения, переход становится распределенным и его динамика определяется движением нескольких магнитных флаксонов, вызывающих искажение и нестабильность вольт-амперных характеристик. Расчеты показывают, что для туннельных переходов, использованных в настоящей работе, джозефсоновская глубина проникновения составляет примерно 100-200 мкм.

В результате, в данной работе мы исследовали СТП детекторы, площади которых варьировались от 400 до 2104 µм2.

Толщина электродов. Как правило, толщина поглощающей области детектора должна обеспечивать эффективное поглощение квантов выбранной энергии, т.е. величина µabd должна быть порядка единицы, где µab – массовый коэффициент поглощения, - плотность, d – толщина электрода. Если в качестве типичной энергии рентгеновских квантов в мягкой области принять 6 кэВ, то толщина ниобиевого электрода должна составлять около 4 мкм.

Надо отметить, что скорость туннелирования неравновесных квазичастиц обратно пропорциональна толщине электрода. При толщинах порядка 4 мкм скорость туннелирования была бы чрезмерно малой, по сравнению с типичными скоростями потерь квазичастиц, что приводило бы к фактическому исчезновению сигнала детектора.

В работах [85] была сделана попытка создания СТП-детектора с большой толщиной поглощающего электрода. В качестве поглотителя использовались пластины монокристаллов Nb или Ta толщиной несколько десятков микрометров, на поверхности которых напылялись многослойные туннельные переходы Al(1)/AlOx/Al(2)/Nb. Слой Al(1) толщиной около нм служил ловушкой для неравновесных квазичастиц и обеспечивал достаточно высокую скорость туннелирования. Энергетическое разрешение детектора составило 150 эВ и ограничивалось сопротивлением интерфейса монокристалл - туннельный переход.

При выборе нами толщины электродов СТП детекторов мы руководствовались компромиссом между технологическими требованиями, необходимыми для создания высококачественных туннельных переходов с малыми токами утечки, и требованием достаточной эффективности поглощения квантов выбранной энергии. Поэтому толщина электродов эффективности примерно 5% при поглощении квантов с энергий 6 кэВ.

С точки зрения эффективности поглощения рентгеновских квантов некоторое преимущество имеет другой сверхпроводник, а именно, тантал. В области энергий до 10 кэВ тантал в 2 раза сильнее поглощает сверхпроводящего перехода Та ниже, чем у Nb и составляет Tc(Ta) = 4.5 К [86]. Соответственно, и рабочие температуры таких СТП-детекторов несколько ниже и находятся в области температур откачки паров He-3, т.е.

при температурах вблизи 0.3 К. В настоящее время изготовление СТП детекторов на основе тантала освоено в ряде лабораторий за рубежом.

Вследствие более низких рабочих температур исследования СТП-детекторов с танталовыми электродами в данной работе не проводилось.

Геометрическая форма электродов. При выборе формы электродов, в первую очередь принимались во внимание условия подавления постоянного джозефсоновского тока магнитным полем. Если электрод имеет в плане форму прямоугольника и магнитное поле Н0 приложено в плоскости джозефсоновского тока уменьшается с магнитным полем по следующему закону [11]:

где IJo – туннельный джозефсоновский ток в нулевом поле, B0 – индукция приложенного магнитного поля, a - длина грани прямоугольника, перпендикулярная магнитному полю, 0 – квант магнитного потока, 0=2.07*10-7 Гс*см2, def – эффективная толщина перехода, def = 2L+t., где L – лондоновская глубина проникновения, t – толщина изолирующего слоя.

Рабочее магнитное поле должно выбираться таким образом, чтобы, вопервых, собственно джозефсоновский ток был равен нулю и, во-вторых, чтобы в ближайшем максимуме джозефсоновский ток был заметно меньше квазичастичного тока в рабочей точке. Выполнение второго условия обеспечивает устойчивость рабочей точки относительно различного рода флуктуаций. Простые оценки показывают, что в данной геометрии необходимое магнитное поле должно превышать 1000 Гс. К сожалению, столь большие поля уже могут оказывать влияние на сверхпроводящие свойства материалов, а также могут приводить к захвату магнитных вихрей и другим нежелательным эффектам. Поэтому форма электродов и ориентация магнитного поля выбирались таким образом, чтобы обеспечить более быстрое ослабление джозефсоновского тока с магнитным полем.

При приложении магнитного поля вдоль диагонали квадратного или ромбического электрода уменьшение джозефсоновского тока идет быстрее, по квадратичному закону [87]. Оценки показывают, что приемлемое ослабление джозефсоновского тока может быть достигнуто уже в полях 100 – 200 Э. Исходя из вышесказанного, в данной работе мы исследовали туннельные детекторы, имеющие в плане форму ромба, и магнитное поле прикладывалось вдоль его диагонали.

характеризуется удельным нормальным сопротивлением N = RN ·S. В работе [88] показано, что скорость туннелирования квазичастиц T для простого туннельного перехода S-I-S (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник) дается следующим выражением:

где Nf(0)– плотность электронов на поверхности Ферми для одного направления спина, d-толщина электрода. Поскольку в СТП-детекторах скорость туннелирования должна быть максимальной, то сопротивление туннельного барьера должно быть минимально возможным.

Ограничения на прозрачность барьера возникают вследствие токов утечки. Нормальное сопротивление туннельного барьера определяется толщиной изолирующего слоя, которая фактически составляет несколько межатомных расстояний. При уменьшении толщины изолирующего слоя увеличивается вероятность образования локальных закороток, т.е. областей, где изолирующий слой отсутствует. Ток через подобную закоротку отвечает контакту металл-металл и не зависит от температуры. При достаточно низких температурах закоротки фактически определяют ВАХ детектора. С точки зрения СТП-детекторов токи утечки не должны превышать тепловой квазичастичный ток в рабочей точке, либо, по крайней мере, должны иметь достаточно малые значения, чтобы не вносить заметные электронные шумы.

Уровень токов утечки зависит от деталей технологии изготовления туннельных переходов. В настоящей работе были изготовлены и исследованы туннельные переходы с удельными сопротивлениями от 100 до 2000 Ом/µм2.

туннельных детекторов состоит в том, чтобы обеспечить максимально возможную скорость туннелирования неравновесных квазичастиц при сохранении минимальной скорости их потерь. Токоподводы являются одним из каналов потерь квазичастиц. Неравновесные квазичастицы могут диффузионно уходить по токоподводам из области туннелирования и, затем, рекомбинировать. Наиболее простым решением является использование токоподводов малого сечения, что должно ограничить диффузию квазичастиц. В тестовых СТП-детекторах, исследованных в настоящей работе, использовались токоподводы малой ширины 5 10 мкм.

5.2 Микросхемы СТП-детекторов.

Микросхема СТП-детектора (рис. 5.1) представляет собой кремниевую пластину размером 5 мм5 мм с пятью туннельными детекторами.

Детекторы обозначались буквами A, D, B, C, E и имели различные площади электродов: 400, 400, 1600, 6400 и 20000 мкмм2 соответственно.

По периметру чипа располагались контактные площадки. К верхним электродам каждого детектора были подсоединены по две контактные площадки. Токоподводы к нижним электродам объединялись и выходили к двум общим контактным площадкам. Размеры контактных площадок были примерно 1 мм1 мм. План-схема отдельного СТП-детектора изображена на рис. 5.2. Электроды детекторов имели в плане форму ромба с отношением диагоналей 1:2 или 1:4. Геометрические размеры детекторов приведены в Таблице 5.1. Размеры нижнего электрода могли совпадать с размерами верхнего, или превышать их на 2.5 мкм вдоль нормали к стороне электрода.

Токоподводящие дорожки (1 на рис. 5.1) подходили к тупым углам ромбических электродов и на расстояниях около 0.25 мм имели ширину 10 мкm. Магнитное поле для подавления джозефсоновского тока прикладывалось в плоскости туннельного перехода (в плоскости чипа) перпендикулярно длинной диагонали ромба, вдоль токоподводящих дорожек. Такая ориентация магнитного поля позволяла минимизировать размагничивающий фактор детектора и снизить вероятность захвата магнитных вихрей.

Рис.5.1 Микросхема СТП-детектора.

Буквами A, B, C, D и E обозначены СТП - детекторы.

1-токоподводящие дорожки, 2- контактные площадки верхнего электрода, 3- контактные площадки нижнего электрода.

Рис. 5.2. СТП-детектор. Вид сверху.

1 – нижний электрод, 2 – токоподводящая дорожка к нижнему электроду, 3 – верхний электрод, 4 - токоподводящая дорожка к верхнему электроду А. СТП детекторы с отношением диагоналей 2: В. СТП детекторы с отношением диагоналей 4: В соответствии с данной схемой был разработан и изготовлен набор фотошаблонов, которые использовались для изготовления детекторов.

Фотошаблоны были спроектированы таким образом, что одновременно изготавливалось 4 чипа с СТП-детекторами (см. рис. 5.3). Два чипа, обозначенные цифрами 1 и 3, имели детекторы ромбической формы с отношением диагоналей 4:1, один чип (номер 4) имел детекторы с отношением диагоналей 2:1. На чипе с номером 2 были расположены два детектора специальной формы с двумя туннельными переходами на каждом.

Чипы располагались в четвертях квадрата, сверху и снизу от которого находились по 8 больших контактных площадок, которые были подсоединены к контактным площадкам отдельных детекторов. Вся конструкция в целом представляла собой стандартный тестовый чип, который использовался в различных разработках ИРЭ РАН. Размеры этого чипа 24 мм15 мм.

После проведения всех операций по изготовлению СТП-детекторов (см.

параграф 5.3), данный чип закреплялся в специальную криогенную вставку, которая погружалась в транспортный гелиевый дьюар типа СТГ-40. Здесь проводилось предварительное измерение ВАХ СТП-детекторов при температуре Т=4.2 К в нулевом магнитном поле. Если ВАХ имели приемлемые параметры, проводилось разрезание большого чипа на отдельные чипы СТП-детекторов, которые передавались для дальнейших исследований в НИИЯФ МГУ.

Рис.5.3. Стандартный тестовый чип СТП-детектора.

5.3. Методика изготовления СТП-детекторов.

Идея использования ловушки для квазичастиц, предложенная в работе [88], оказалась весьма плодотворной при разработке сверхпроводящих туннельных детекторов. С одной стороны, путем создания ловушки вблизи туннельного барьера удается повысить вероятность туннелирования и ослабить влияние процессов потерь квазичастиц. С другой стороны, существует возможность подавить сигнал (сделать электрод пассивным), если создать ловушку в электроде на той стороне, которая не прилегает к туннельному барьеру. В обоих случаях туннельные переходы становятся многослойными, и их поведение усложняется из-за эффекта близости и свойств поверхностей раздела между слоями. Тем не менее, использование ловушек позволяет изменять туннельные характеристики переходов таким образом, чтобы улучшить спектроскопические характеристики детекторов.

В работе [89] использовали Al покрытие на верхнем электроде Nb/Al туннельных переходов и ожидали более чем в 100 раз снизить отклик этого электрода на облучение рентгеновскими лучами. В действительности оказалось, что уровень сигнала уменьшился всего в 6 раз. Это объяснялось существованием другого тонкого Al слоя-ловушки вблизи туннельного барьера.

Данные для Nb/Al переходов с нижним электродом, сделанным пассивным при помощи Ta ловушки в этом электроде, успешно описаны при помощи теоретической модели [90], учитывающей диффузию квазичастиц и потери на краях в активном электроде.

В работе [91] использовались детекторы рентгеновского излучения с туннельными переходами, имеющими Al ловушки в обоих электродах, активном и пассивном. Сигнал пассивного электрода был ослаблен в 2-5 раз, однако использование нижней Al пленки в качестве основы для дальнейшего напыления всех последующих слоев оказалось неудачным с точки зрения качества самих переходов. Таким образом, улучшить разрешение путем использования ловушек в работах [89-91] не удалось.

В данной работе исследовались детекторы с разными многослойными структурами нижнего и верхнего электродов (приведены в Таблице 5.2). Для улучшения условий туннелирования квазичастиц вблизи туннельного барьера напылялся подслой Al толщиной 10-30 нм. Свойства этого слоя определялись эффектом близости с прилегающим слоем Nb [92]. Для ослабления потерь квазичастиц на внешней поверхности верхнего электрода наносился дополнительный слой соединения NbN. Для создания ловушек для захвата квазичастиц в пассивных электродах использовались слои из Al или Ti, которые наносились на внешние поверхности электродов (в частности, в нижнем электроде со стороны подложки).

Одной их основных проблем изготовления СТП-детекторов являлось обеспечение малых токов утечки. Как будет показано, приемлемый уровень токов утечки составляет около 100 нА при напряжении 1 мВ, что соответствует сопротивлению утечки 10 кОм. Только в этом случае туннельные переходы имеют малый уровень электронных шумов и могут быть испытаны в качестве детекторов излучения. Именно с этой точки зрения, варьировалась методика приготовления СТП, подбирались толщины близостных слоев, а также прозрачность туннельного барьера. Оптимизация всех параметров СТП-детекторов с точки зрения токов утечки являлось одной из задач настоящей работы.

Для каждой структуры детекторов разрабатывалась своя методика изготовления.

Как уже говорилось выше, использование Al ловушки в нижнем электроде казалось весьма перспективным. Но, к сожалению, реализовать технологически такую структуру оказалось достаточно сложно. Переходы получались низкого качества, с большими токами утечки.

Таблица 5.2. Основные структуры электродов исследованных СТП - детекторов.

2 NbN/Nb/Al Nb/Al/Au Нижний электрод основной Идея изготовить структуру, когда нижний электрод NbN/Nb/Al является основным, поглощающим кванты излучения, электродом, а верхний электрод содержал Al ловушку, казалась интересной. Такую структуру можно было изготовить, напылив на Al еще дополнительный слой золота. В результате проведенных исследований была разработана методика и изготовлены туннельные переходы на основе структуры NbN/Nb/AlAlOx/Nb/Al/Au.