eng
Выпуск #6/2007
А.Гудков, А.Гогин, А.Козлов, А.Самусь, И.Краснополин.
Эталон напряжения постоянного тока. Сверхпроводниковая ИС на основе переходов Джозефсона
Эталон напряжения постоянного тока. Сверхпроводниковая ИС на основе переходов Джозефсона
Просмотры: 2345
С распространением нанотехнологий возросли требования к точности измерений электрических величин. В первую очередь это касается промышленности и приборостроения. Многие технические проблемы решаются внедрением фундаментальных квантовых эффектов в метрологию. Работы в этой области ведутся и в России. На технологической базе ЗАО "Компэлст" и ФГУП "НИ ИФП им. Ф.В. Лукина" созданы первые отечественные сверхпроводниковые интегральные схемы (СПИС) на основе туннельных переходов Джозефсона типа Nb/Al/AlOx/Nb для эталона единицы напряжения с выходом более 1В.
Единица электрического напряжения постоянного тока обычно воспроизводится с применением эталонов, основанных на эффекте Джозефсона*, – протекании тока между двумя сверхпроводниками, разделенными тонким барьером диэлектрика. Современные СПИС эталонов содержат цепочки из нескольких тысяч переходов сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник туннельного типа [1–3]. Под действием электромагнитного излучения СВЧ-диапазона на вольт-амперных характеристиках (ВАХ) переходов появляются ступени тока при напряжениях, которые определяются частотой излучения и номером ступени. Полученные квантованные значения напряжения подчиняются соотношению:
Vn = Fn/KJ ,
где F – частота СВЧ-излучения, которая контролируется системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с относительной погрешностью 10-10; n – целое число; KJ – фундаментальная константа Джозефсона. Ступени на ВАХ распространяются вплоть до напряжения ~1 мВ.
Для одиночного перехода максимальное воспроизводимое квантованное напряжение определяется соотношением n·V1 ≈ 1 мВ, где n – номер ступеньки. Константа V1 соответствует напряжению первой ступеньки при частоте 70 ГГц (примерно 145 мкВ). Для получения более высоких уровней переходы включают последовательно по постоянному току и последовательно-параллельно по переменному. Чтобы воспроизвести значение 1 В, требуется порядка 2000–3000 переходов, а 10 В – свыше 10000.
На характеристики СПИС накладываются жесткие ограничения. Оптимальное значение критической плотности тока jc составляет 10–30 A/см2. Плазменная частота переходов Fp должна быть существенно ниже планируемой рабочей частоты (70 ГГц). В противном случае в переходах Джозефсона возникает динамический хаос.
Плазменная частота рассчитывается по формуле
Fp = (ejc/πhCs)1/2,
где e– заряд электрона, h – постоянная Планка, Сs – удельная емкость перехода.
Условие F >> Fp гарантирует существование стабильных ступеней тока на ВАХ переходов. Хорошее качество туннельных переходов достигается при однородном распределении постоянного и переменного токов по сечению барьера. Оптимальными параметрами переходов являются: ширина 30– 50 мкм; длина 10–20 мкм; критический ток Ic = 100– 300 мкА; напряжение щелевой особенности Vg = 2,5–2,8 мВ; токи утечки при напряжениях ниже особенности Isg<10 мкА. На ВАХ таких переходов амплитуда ступеней по току лежит в диапазоне 30–100 мкА при напряжении до 1 мВ. То есть для микросхемы, рассчитанной на воспроизведение 1 В, потребуется 1500–2000 переходов.
Цепочки джозефсоновских туннельных переходов формируются в виде многослойной структуры с нижними и верхними электродами из тонких пленок ниобия (рис.1). Нижние электроды попарно соединяют туннельные переходы в виде отдельных полосок. Верхние электроды соединяют эти части в сплошную микрополоску, по которой ток течет через все переходы. Экспериментальные образцы СПИС ЗАО "Компэлст" представляют собой кристаллы размером в плане 15×6 мм2 и содержат цепочки из 2400 джозефсоновских туннельных переходов Nb/Al/AlOx/Nb (рис.2). Две микрополоски размещены на плоскости с установленным зазором между ними. Они образуют щелевую сверхпроводниковую линию открытого типа. Структура Nb/Al/AlOx/Nb формируется в высоковакуумной установке магнетронного распыления SCR–650 фирмы ALCATEL. Нанесение пленок ниобия производится при остаточном давлении в камере Рост = (3–5)·10-4 Па, толщина пленок составляет 0,2 и 0,1 мкм для нижнего (Nb1) и верхнего (Nb2) электродов соответственно. Толщина слоя алюминия варьируется в диапазоне 5–15 нм. Окисление алюминия производится термически посредством подачи в камеру кислорода при давлении РО2 = 3104 Па.
Данные СПИС также содержат антенну типа fin-line для согласования с волноводным трактом 4-мм диапазона (рис.3). На выходе СВЧ-антенны две микрополоски шириной 60 мкм с зазором 4 мкм образуют открытую щелевую линию. Нижние электроды микрополосок состоят из двух цепочек по 200 переходов. Щелевая линия продолжается после поворота на 180° и состоит из шести таких участков. Таким образом общее количество джозефсоновских переходов составляет 2400.
Открытая щелевая линия через согласующий трансформатор соединяется со сверхпроводниковой линией нагрузки длиной около 20 см. Она предназначена для полного затухания мощности рабочей частоты и не имеет туннельных переходов. Ширина микрополосок линии нагрузки составляет 10 мкм, зазор – 4 мкм.
В данной конструкции отсутствует делитель СВЧ-мощности, так как все 2400 переходов включены последовательно. Другое преимущество этой схемы – отсутствие операции нанесения толстого (порядка 1–1,5 мкм) слоя диэлектрика и дополнительного слоя ниобия в качестве сверхпроводящего экрана [4] при изготовлении микросхем.
В ходе работ в ЗАО "Компэлст" были получены экспериментальные образцы СПИС, изучены их электрофизические характеристики [3, 5, 6]. Предметом отдельного исследования стало влияние толщины и времени окисления слоя Al на характеристики туннельных переходов.
Для получения туннельных переходов с плотностью критического тока jc = 10–30 А/см2 время окисления алюминия должно составлять не менее 4–6 часов (рис.4). При этом в ходе экспериментов рабочая частота превышала значение плазменной частоты более чем в три раза.
В изготовленных экспериментальных образцах СПИС при переходах Nb/Al/AlOx/Nb со значениями критического тока Ic = 300 мкА и плотности критического тока jс = 30 А/см2 достигаются относительно большие (вплоть до 1,8 мВ) значения характерного напряжения Vc = IcRn. Максимальное напряжение щелевой особенности 2ΔNb на ВАХ одиночных туннельных переходов достигает 2,7–2,8 мВ. Значение Vg на границе Nb/Al может быть существенно ниже из-за подавления параметра порядка за счет эффекта близости. Степень подавления пропорциональна толщине слоя Al, оптимальное значение которой не превышает 5–7 нм. При этом избыточный ток Isg (при V < Vg) на ВАХ одиночных туннельных переходов составляет не более 5–10 мкА. Разброс критических токов на отдельных кристаллах переходов достаточно мал – ∆Ic/Ic ≤ 0%.
В ходе исследований на образцах с цепочками из 2400 переходов в ФГУП "ВНИИМС" зарегистрированы квантовые ступени тока под действием СВЧ-излучения в диапазоне 60– 79 ГГц при напряжениях 0–1,7 В (рис.5). Амплитуда ступеней при напряжении до 1,018 В составляет примерно 40– 60 мкА. Частотная характеристика амплитуды ступеней тока имеет осциллирующий характер, что указывает на наличие слабых отражений в СВЧ-линии ИС. Поэтому предмет дальнейших исследований – однородность распределения СВЧ-мощности по цепочке переходов.
Токовая ступенька на уровне 1,018 В не имеет резистивного наклона и достаточно стабильна, а ее время жизни составляет более одной минуты. Это позволяет использовать изготовленные СПИС для калибровки эталонных мер напряжения (рис.6). Разброс результатов калибровки, полученных на разных микросхемах, определяется только типичным шумом вида 1/F стабилитронной меры напряжения. Для меры 732B фирмы Fluke получено среднее значение напряжения Vf=1,018091312 В со среднеквадратичным отклонением 25 нВ.
Тенденции развития промышленности указывают на потребность роста точности измерений электрических величин примерно на порядок в ближайшие десять лет. Данная задача может быть решена на основе принятой в России с 2002 года новой поверочной схемы для средств измерений электрического напряжения. Поверочная схема содержит: государственный первичный эталон (относительная погрешность 110-9); вторичные эталоны сравнения (погрешность 210-9) и эталон-копию (погрешность до 310-8); эталоны нулевого разряда (погрешность до 5·10-8). Все они могут быть укомплектованы отечественными СПИС с цепочками джозефсоновских переходов. Однако создание устойчивой технологии изготовления высококачественных СПИС для эталонов Вольта с большой степенью интеграции требует больших вложений как в технологическое оснащение, так и в научные разработки предприятий.
Работа проводилась при поддержке Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии, а также федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002 – 2006 годы.
Литература
1. Poepel R. The Josephson Effect and Voltage Standards. Metrologia, v.29, 1992, pp.153-174.
2. Mueller F., Schulze H., Behr R., Kohlmann J., Niemeyer J. The Nb-Al technology at PTB – a common base for different types of Josephson voltage standards. – Physica C354, 2001, pp. 66–70.
3. Гудков А.Л. Джозефсоновские переходы и области их применений. – Электронная промышленность, 2004, №3, с. 77–87.
4. Shubert M., May T., Wende G., Fritzsch L., Meyer H.-G. Coplanar strips for Josephson voltage standard circuits. – Applied Phys. Letters., 2001, v.79, №7, pp.1009-1011.
5. Гудков А.Л, Гогин А.А., Козлов А.И., Самусь А.Н., Краснополин И.Я. Джозефсоновская СПИС эталона напряжения постоянного тока на основе SIS переходов. – Шестая Всероссийская научно-техническая конференция "Метрологическое обеспечение обороны и безопасности РФ": Материалы конференции. – пос. Поведники Московской обл. 2006. Тезисы докладов. Часть I, с.27 – 30.
6. Гудков А.Л, Гогин А.А., Козлов А.И., Самусь А.Н., Краснополин И.Я. Сверхпроводниковый преобразователь частота напряжение для эталона напряжения постоянного тока на основе джозефсоновских SIS переходов. – Всероссийская научно-техническая конференция. Методы и средства измерений электрических величин. – Туапсе, 2007. Тезисы докладов, с.63–67.
Vn = Fn/KJ ,
где F – частота СВЧ-излучения, которая контролируется системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с относительной погрешностью 10-10; n – целое число; KJ – фундаментальная константа Джозефсона. Ступени на ВАХ распространяются вплоть до напряжения ~1 мВ.
Для одиночного перехода максимальное воспроизводимое квантованное напряжение определяется соотношением n·V1 ≈ 1 мВ, где n – номер ступеньки. Константа V1 соответствует напряжению первой ступеньки при частоте 70 ГГц (примерно 145 мкВ). Для получения более высоких уровней переходы включают последовательно по постоянному току и последовательно-параллельно по переменному. Чтобы воспроизвести значение 1 В, требуется порядка 2000–3000 переходов, а 10 В – свыше 10000.
На характеристики СПИС накладываются жесткие ограничения. Оптимальное значение критической плотности тока jc составляет 10–30 A/см2. Плазменная частота переходов Fp должна быть существенно ниже планируемой рабочей частоты (70 ГГц). В противном случае в переходах Джозефсона возникает динамический хаос.
Плазменная частота рассчитывается по формуле
Fp = (ejc/πhCs)1/2,
где e– заряд электрона, h – постоянная Планка, Сs – удельная емкость перехода.
Условие F >> Fp гарантирует существование стабильных ступеней тока на ВАХ переходов. Хорошее качество туннельных переходов достигается при однородном распределении постоянного и переменного токов по сечению барьера. Оптимальными параметрами переходов являются: ширина 30– 50 мкм; длина 10–20 мкм; критический ток Ic = 100– 300 мкА; напряжение щелевой особенности Vg = 2,5–2,8 мВ; токи утечки при напряжениях ниже особенности Isg<10 мкА. На ВАХ таких переходов амплитуда ступеней по току лежит в диапазоне 30–100 мкА при напряжении до 1 мВ. То есть для микросхемы, рассчитанной на воспроизведение 1 В, потребуется 1500–2000 переходов.
Цепочки джозефсоновских туннельных переходов формируются в виде многослойной структуры с нижними и верхними электродами из тонких пленок ниобия (рис.1). Нижние электроды попарно соединяют туннельные переходы в виде отдельных полосок. Верхние электроды соединяют эти части в сплошную микрополоску, по которой ток течет через все переходы. Экспериментальные образцы СПИС ЗАО "Компэлст" представляют собой кристаллы размером в плане 15×6 мм2 и содержат цепочки из 2400 джозефсоновских туннельных переходов Nb/Al/AlOx/Nb (рис.2). Две микрополоски размещены на плоскости с установленным зазором между ними. Они образуют щелевую сверхпроводниковую линию открытого типа. Структура Nb/Al/AlOx/Nb формируется в высоковакуумной установке магнетронного распыления SCR–650 фирмы ALCATEL. Нанесение пленок ниобия производится при остаточном давлении в камере Рост = (3–5)·10-4 Па, толщина пленок составляет 0,2 и 0,1 мкм для нижнего (Nb1) и верхнего (Nb2) электродов соответственно. Толщина слоя алюминия варьируется в диапазоне 5–15 нм. Окисление алюминия производится термически посредством подачи в камеру кислорода при давлении РО2 = 3104 Па.
Данные СПИС также содержат антенну типа fin-line для согласования с волноводным трактом 4-мм диапазона (рис.3). На выходе СВЧ-антенны две микрополоски шириной 60 мкм с зазором 4 мкм образуют открытую щелевую линию. Нижние электроды микрополосок состоят из двух цепочек по 200 переходов. Щелевая линия продолжается после поворота на 180° и состоит из шести таких участков. Таким образом общее количество джозефсоновских переходов составляет 2400.
Открытая щелевая линия через согласующий трансформатор соединяется со сверхпроводниковой линией нагрузки длиной около 20 см. Она предназначена для полного затухания мощности рабочей частоты и не имеет туннельных переходов. Ширина микрополосок линии нагрузки составляет 10 мкм, зазор – 4 мкм.
В данной конструкции отсутствует делитель СВЧ-мощности, так как все 2400 переходов включены последовательно. Другое преимущество этой схемы – отсутствие операции нанесения толстого (порядка 1–1,5 мкм) слоя диэлектрика и дополнительного слоя ниобия в качестве сверхпроводящего экрана [4] при изготовлении микросхем.
В ходе работ в ЗАО "Компэлст" были получены экспериментальные образцы СПИС, изучены их электрофизические характеристики [3, 5, 6]. Предметом отдельного исследования стало влияние толщины и времени окисления слоя Al на характеристики туннельных переходов.
Для получения туннельных переходов с плотностью критического тока jc = 10–30 А/см2 время окисления алюминия должно составлять не менее 4–6 часов (рис.4). При этом в ходе экспериментов рабочая частота превышала значение плазменной частоты более чем в три раза.
В изготовленных экспериментальных образцах СПИС при переходах Nb/Al/AlOx/Nb со значениями критического тока Ic = 300 мкА и плотности критического тока jс = 30 А/см2 достигаются относительно большие (вплоть до 1,8 мВ) значения характерного напряжения Vc = IcRn. Максимальное напряжение щелевой особенности 2ΔNb на ВАХ одиночных туннельных переходов достигает 2,7–2,8 мВ. Значение Vg на границе Nb/Al может быть существенно ниже из-за подавления параметра порядка за счет эффекта близости. Степень подавления пропорциональна толщине слоя Al, оптимальное значение которой не превышает 5–7 нм. При этом избыточный ток Isg (при V < Vg) на ВАХ одиночных туннельных переходов составляет не более 5–10 мкА. Разброс критических токов на отдельных кристаллах переходов достаточно мал – ∆Ic/Ic ≤ 0%.
В ходе исследований на образцах с цепочками из 2400 переходов в ФГУП "ВНИИМС" зарегистрированы квантовые ступени тока под действием СВЧ-излучения в диапазоне 60– 79 ГГц при напряжениях 0–1,7 В (рис.5). Амплитуда ступеней при напряжении до 1,018 В составляет примерно 40– 60 мкА. Частотная характеристика амплитуды ступеней тока имеет осциллирующий характер, что указывает на наличие слабых отражений в СВЧ-линии ИС. Поэтому предмет дальнейших исследований – однородность распределения СВЧ-мощности по цепочке переходов.
Токовая ступенька на уровне 1,018 В не имеет резистивного наклона и достаточно стабильна, а ее время жизни составляет более одной минуты. Это позволяет использовать изготовленные СПИС для калибровки эталонных мер напряжения (рис.6). Разброс результатов калибровки, полученных на разных микросхемах, определяется только типичным шумом вида 1/F стабилитронной меры напряжения. Для меры 732B фирмы Fluke получено среднее значение напряжения Vf=1,018091312 В со среднеквадратичным отклонением 25 нВ.
Тенденции развития промышленности указывают на потребность роста точности измерений электрических величин примерно на порядок в ближайшие десять лет. Данная задача может быть решена на основе принятой в России с 2002 года новой поверочной схемы для средств измерений электрического напряжения. Поверочная схема содержит: государственный первичный эталон (относительная погрешность 110-9); вторичные эталоны сравнения (погрешность 210-9) и эталон-копию (погрешность до 310-8); эталоны нулевого разряда (погрешность до 5·10-8). Все они могут быть укомплектованы отечественными СПИС с цепочками джозефсоновских переходов. Однако создание устойчивой технологии изготовления высококачественных СПИС для эталонов Вольта с большой степенью интеграции требует больших вложений как в технологическое оснащение, так и в научные разработки предприятий.
Работа проводилась при поддержке Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии, а также федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002 – 2006 годы.
Литература
1. Poepel R. The Josephson Effect and Voltage Standards. Metrologia, v.29, 1992, pp.153-174.
2. Mueller F., Schulze H., Behr R., Kohlmann J., Niemeyer J. The Nb-Al technology at PTB – a common base for different types of Josephson voltage standards. – Physica C354, 2001, pp. 66–70.
3. Гудков А.Л. Джозефсоновские переходы и области их применений. – Электронная промышленность, 2004, №3, с. 77–87.
4. Shubert M., May T., Wende G., Fritzsch L., Meyer H.-G. Coplanar strips for Josephson voltage standard circuits. – Applied Phys. Letters., 2001, v.79, №7, pp.1009-1011.
5. Гудков А.Л, Гогин А.А., Козлов А.И., Самусь А.Н., Краснополин И.Я. Джозефсоновская СПИС эталона напряжения постоянного тока на основе SIS переходов. – Шестая Всероссийская научно-техническая конференция "Метрологическое обеспечение обороны и безопасности РФ": Материалы конференции. – пос. Поведники Московской обл. 2006. Тезисы докладов. Часть I, с.27 – 30.
6. Гудков А.Л, Гогин А.А., Козлов А.И., Самусь А.Н., Краснополин И.Я. Сверхпроводниковый преобразователь частота напряжение для эталона напряжения постоянного тока на основе джозефсоновских SIS переходов. – Всероссийская научно-техническая конференция. Методы и средства измерений электрических величин. – Туапсе, 2007. Тезисы докладов, с.63–67.
Отзывы читателей
