Сверхпроводящие материалы в электронике. Магнитометр на СКВИДах

Описанная здесь конструкция яв-

2 мм ляется датчиком включенным в электри-

ческую схему, обеспечивающую изме-

рение и индикацию отклика датчика

1.5мм на изменение внешнего магнитного

поля. Такая система представляет со-

600нм 600нм бой магнитометр.

20 нм

4. Сверхпроводящий материал – соединение Nb3Sn.

Соединение Nb3Sn имеет Тк=18.2К и Нк2=18.5 МА/m (0Нк=23Тл) при 4.2К. Благодаря таким параметрам можно получить джозефсоновские переходы чувствительные как к малым полям 10-17Тл, так и к изменению больших полей 1Тл. Соединение имеет такую решетку: атомы ниобия расположены в местах, занятых на рисунке и образуют со своими ближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг – другу:

Nb

Sn

Атомы ниобия в этих цепочках связаны дополнительными ко-валентными связями. Цепочки ниобия в кристаллической структуре, для получения сверх проводящих свойств не должны быть наруше-ны, что может произойти при избытке атомов олова или при недос-таточной степени порядка в кристаллической решетке. Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn приведена на рисунке:

toC

2500

+ж 2000

2000

 Ж

1500 Nb3Sn3

+Nb3Sn 910-920

1000

Nb3Sn 840-860

500 805-820 NbSn7 232-234

Nb 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Sn

Соединение Nb3Sn хрупко и изделие из него не могут бать получены обычным металлургическим путем, т.е. выплавкой с последующей деформацией. Массивные изделия из этого соединения: цилиндры, пластины и т.д. получают, как правило, металлокерамическим мето-дом, т.е. смешивая в соответствующих пропорциях порошки ниобия и олова, прессуя изделия нужной формы и нагревая их до темпера-туры образования химического соединения Nb3Sn, обычно в интер-вале 960-1200O.

5. Получение джозефсоновских переходов.

Джозефсоновские туннельные переходы представляют собой две тонкие сверхпроводящие пленки разделенные барьерным слоем диэлектрика или полупроводника. Рассмотрим некоторые из мето-дов получения переходов с диэлектрическим барьером. На тщатель-но очищенную подложку в вакууме наносится первая пленка сверх-проводящего соединения толщиной в несколько тысяч ангстрем.

Нанесение первой пленки осуществляется путем катодного распыления.

4

1

6

2 3 5

1. Катод

2. Распыляющий газ

3. К вакуумному насосу

4. Держатель с подложкой

5. Постоянное напряжение 4 кВ

6. ВЧ – генератор 3-300 МГц

Газовый разряд при низком давлении можно возбудить высо-кочастотным электрическим полем. Тогда в газовом промежутке, содержащим аргон, возникает тлеющий разряд. Образовавшиеся при этом положительные ионы, разгоняются электрическим полем, ударяются о катод распыляя сплав. Вылетающие с катода атомы осаждаются на подложке. В такой системе были достигнуты скоро-сти осаждения до 1А/сек. При смещении на катоде – мишени 500В.

Для высокочастотного катодного распыления Nb3Sn необхо-дим вакуум перед распылением 10-4Па, температура подложки 900OС, чистота напускаемого аргона 99,999%, его давление менее 1Па.

Для качества туннельного перехода большое значение имеет структура пленки. В напыленных пленках обычно сильно искажена кристаллическая решетка, и в них, как правило со временем проис-ходят структурные изменения: течение дислокаций, деформация границ зерен, что может значительно ухудшить свойства туннельно-го перехода (например возникнуть закоротки).

Одним из способов устранения этих нежелательных явлений состоит во внесении в пленку примесей стабилизирующих их струк-туру. Так пленки образующие туннельный переход получались по-следовательным напылением In (49нм), Au (9нм), Nb3Sn (350нм) для нижнего электрода и Nb3Sn (300нм), Au(5нм), Nb3Sn(200нм) для верхнего электрода. После этого пленки выдерживались при темпе-ратуре 75ОС в течении 2ч., что приводило к стабилизации свойств перехода.

Следующим важным этапом получения туннельного перехода является образование барьерного слоя, как правило, это слой окисла на поверхности первой пленки. Свойства туннельного перехода и его срок службы определяется прежде всего качеством барьерного слоя. Этот слой должен быть плотным, тонким (2нм), ровным, не иметь пор и не меняться со временем при температурном циклиро-вании.

Наиболее удачный метод приготовления туннельных барьеров состоит в окислении пленки в слабом ВЧ разряде в атмосфере ки-слорода. Подложка с пленочным электродом крепится к катоду раз-рядной камеры. Сначала поверхность пленки очищают от естест-венного окисления путем ВЧ катодного распыления в атмосфере ар-гона при давлении 0.5 Па в течении 1-5 мин. Сразу после этого ар-гон в камере заменяется кислородом или аргонокислородной сме-сью и зажигается разряд на частоте 13.56 МГц. За определенное время на пленке, находящейся в разряде, образовался слой окисла необходимой толщины. Для получения туннельных барьеров тол-щиной 2-5нм необходимо поддерживать разряд мощностью 0.003-0,1 Вт/мм2 в течении 10-20 мин.

Применяют туннельные переходы с барьером из полупровод-ника. В качестве материала барьера используется различные п/п: CdS, CdSe, Ge, InSb, CuAs и др.

Основной метод нанесения п/п барьера – распыление. Однако в напыленном слое п/п имеется много отверстий и пустот, наличие которых способствует появлению закороток в переходе. Для устра-нения этого недостатка после напыления барьера переход подверга-ется окислению. В результате закоротки действительно не возника-ют, но свойства барьера при это ухудшаются: уменьшается макси-мальная плотность тока, величина емкости увеличивается.

Наилучшие туннельные переходы с полупроводниковым барь-ером, получаются, когда барьер представляет собой монокристалл. Такие переходы реализованы не созданием барьера на сверхпрово-дящей пленке, а наоборот, нанесением пленки на обе стороны тон-кой монокристаллической п/п мембраны из Si. Известно, что ско-рость травления монокристаллического Si перпендикулярно плоско-сти (100) в 16 раз больше чем в направлении плоскости (111). В ре-зультате этого в пластине Si, поверхность которого параллельна (100), при травлении небольшого, незащищенного фоторезистом участка, образуются ямки. Боковые стенки ямки образуют плоско-сти (111) под углом 54.7О к поверхности. Таким образом, размер дна ямки 1, т.е. размер мембраны определяется соотношением , где 2 – размер открытого незащищенного участка поверхности, t – глубина ямки.

Чтобы получить мембрану нужной толщины, необходимо ка-ким-либо образом автоматически остановить травление. Это дости-гается с помощью легирования бором обратной стороны кремние-вой подложки на глубину равную необходимой толщине мембраны. Скорость травления быстро падает, когда достигается слой Si с кон-центрацией бора, равной n=41019 см-3, и полностью останавливается при n=71019 см-3 . Таким образом были получены мембраны толщи-ной 40-100 нм. Далее с двух сторон наносятся сверхпроводящие пленки, образующие переход.

В случае последовательного напыления: сверхпроводящая пленка – барьер – сверхпроводящая пленка – последнюю пленку можно нанести методом катодного распыления.

Готовые переходы защищают от влияния атмосферы слоем фоторе-зиста. Для получения воспроизводимых туннельных систем необхо-димо, чтобы между операциями пленка не подвергалась воздейст-вию атмосферы т.к. адсорбция газов на поверхности пленок может вызвать неконтролируемое изменение характеристик перехода.

Список литературы:

1. Г.Н. Кадыкова «Сверхпроводящие материалы» М. МИЭМ 1990

2. А.Ф. Волков, Н.В. Заварицкий «Электронные устройства на осно-ве слабосвязных сверхпроводников» М. Советское радио 1982

3. Р. Берри, П. Холл, М. Гаррис «Тонкопленочная технология» М. Энергия 1979

4. Т. Ван-Дузер Ч.У. Тернер «Физические основы сверхпроводнико-вых устройств и цепей» М. Радио и связь 1984