Si/Nb - MES conference

ФГУП "НИФП ИМ. Ф.В. ЛУКИНА”
ЗАО "КОМПЭЛСТ”
Гудков
Александр Львович
Директор ФГУП
“НИИФП им. Ф.В. Лукина”
V
I
© A.L. Gudkov
(2012)
F
1
Проектирование СПИС преобразователя
частота-напряжение для программируемого
эталона Вольта
А.Л. ГУДКОВ, А.А. ГОГИН, А.И. КОЗЛОВ, А.Н. САМУСЬ,
ФГУП "НИИФП им. Ф.В. Лукина ", ЗАО "Компэлст"
г. Москва, Зеленоград.
И. Я. КРАСНОПОЛИН,
ФГУП “ВНИИМС”, г. Москва.
2012 г.
© A.L. Gudkov
(2012)
2
Выполняемая функция СПИС –
воспроизведение единицы
напряжения постоянного и переменного
тока в диапазоне V = 0 ± 1,0 В
- ПРЕДСТАВЛЕНЫ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МАКЕТИРОВАНИЯ
ОТЕЧЕСТВЕННЫХ
СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ (СПИС)
ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЦЕПОЧЕК ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ
ПЕРЕХОДОВ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
(SNS ТИПА) ДЛЯ
ПРОГРАММИРУЕМОГО ЭТАЛОНА НАПРЯЖЕНИЯ НА 1 В.
- ИЗЛОЖЕНЫ ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СПИС НА ОСНОВЕ МАССИВА
8192 ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ПЕРЕХОДОВ ДЛЯ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТАНАПРЯЖЕНИЕ (ПЧН) ПРОГРАММИРУЕМОГО ЭТАЛОНА ВОЛЬТА И РЕЗУЛЬТАТЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПИС ПЧН.
- РАССМОТРЕНА ПЕРСПЕКТИВА РАЗВИТИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СПИС ПЧН С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ПЕРЕХОДОВ SDS ТИПА И СТЕКОВ
ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ПЕРЕХОДОВ.
© A.L. Gudkov
(2012)
3
Электрическая схема программируемого эталона Вольта
(СПИС ПЧН)
F
Выходное напряжение, V
Фрагмент конструкции цепочки планарных SNS
переходов Nb/a-Si/Nb
a-Si
Nb2
Nb3
Al2O3
Nb1
Si
© A.L. Gudkov
(2012)
4
РЭМ изображения фрагментов образца СПИС на основе цепочки планарных
джозефсоновских переходов Nb/α-Si/Nb. N = 1024
Crystal general view. (15 х 6 mm2)
Ф3 µm
9 х 9 µm2
10 µm
4 µm
© A.L. Gudkov
(2012)
5
ВАХ секций двоичных разрядов СПИС. N = 1024
ВАХ 1024 SNS переходов обр. И-3
Section from 1024 JJs
Ic = 3,4 mA
Sum. RN = 27,03 
RN = 0,0265 
Vc = 90,1 µV
300
V, mV
200
Напряжение, мВ
100
180
-100
160
-200
140
V, mV
0
-300
-7,5
-5
-2,5
0
2,5
Ток, мА
5
7,5
10
Напряжение, мВ
-10
I, mA
ВАХ секции 795 SNS переходов
И-3 F
при
F=75
ГГц, 7
Sectionмикросхемы
from 795 JJs.
= 75
GHz,
7 дБ
dB
V, mV мВ
Напряжение,
139
from
128,
256,
512 JJs.
ВАХSections
секций 128,
256, 512
SNS
переходов
микросхемы
F=757ГГц,
F =И-3
75при
GHz,
dB7 дБ
120
128 SNS
100
256 SNS
512 SNS
80
SUM
60
138,9
128 SNS
138,8
256 SNS
138,7
512 SNS
40
20
SUM
138,6
0
0
138,5
4
5
6
I, mA
7
8
2
4
6
Ток, мА
8
10
I, mA
Ток, мА
© A.L. Gudkov
(2012)
6
СПИС программируемого эталона Вольта (СПИС ПЧН)
Общий вид конструкции СПИС ПЧН на основе цепочки N = 8192
джозефсоновских переходов.
SNS переходы Nb/a-Si/Nb включены в щелевую линию. Размер кристалла 15 х 8 мм2.
СВЧ антенна
типа fine-line
Выводы
двоичных
разрядов
СВЧ линия нагрузки:
Ширина линии w = 10 мкм.
Т-разветвитель СВЧ мощности: Ширина щели s = 4 мкм.
Длина линии L = 2 x 14 = 28 см.
Центральная частота 72ГГц.
© A.L. Gudkov
(2012)
Цепочка SNS переходов
9 х 9 мкм2
7
Требования к параметрам джозефсоновских
переходов
1. Критическая плотностью тока переходов
jс = 103 – 5∙103 А/см2. При размерах планарных
переходов не более 10х10 = 100 мкм2,
Крит. ток Ic = 1 – 5 мА.
Фото цепочки джозефсоновских
переходов для СПИС ПЧН
Размер переходов 9х9 мкм2
2. Амплитуда ступеньки тока I1 = Ic, под
действием СВЧ-излучения достигается при
выполнении условия F=1-2·Fc, величина
характерного напряжения джозефсоновских
переходов
Vc = IcRn = 130 - 150 мкВ.
3. Геометрические размеры переходов определяется джозефсоновской глубиной
проникновения магнитного поля в переход Джозефсона λJ=(ħ/[2eμ0jc[d+2λ])1/2, где
ħ – постоянная Планка, e- заряд электрона, μ0 – магнитная проницаемость вакуума, d – толщина нормальной
прослойки перехода, а λ – лондоновская глубина проникновения поля в сверхпроводник (для Nb λ~100 нм).
Однородное распределение тока в переходах SNS реализуется, пока длина l и ширина
переходов W < 4λJ. Для jc =103 - 3∙103 джозефсоновская глубина проникновения
λJ ~10 - 6 мкм.
© A.L. Gudkov
(2012)
8
Расчет основных параметров СПИС ПЧН
Волновое сопротивление щелевой линии :
Z  (120π εeff ) (K(k) K'(k ))
o
ε – эффективная диэлектрическая проницаемость
где eff
подложки (~ 6,5 для подложки из Si c ε = 13), K(k) и K’(k) –
полные эллиптические интегралы первого рода, фактор k
вычисляется через размеры линии (g-ширина щели, Wширина полоски, h- высота подложки из Si).
Фрагмент конструкции цепочки
джозефсоновских переходов для СПИС ПЧН
k  tanh( πg 4h) tanh  W  g 2 2h
Для щелевой линии расположенной на кремниевой подложке волновое сопротивление
Z  Zo (ε eff ) -1 2
Подставляя ширину полоски W, расчетные значения Z = 40 – 50 Ом и известные значения поверхностного
сопротивления Rs в формулу для коэффициента потерь
α[ дБ м]  8,68  R s Z  W
можно оценить величину потерь мощности СВЧ в сверхпроводящих элементах линии (без учета потерь в
переходах) для диапазона частот f = 70…90 ГГц. Поверхностного сопротивления ниобия составляет Rs =
1,3·10-3 …2,4·10-4 Ом . Для ширины микрополосок W = 21 мкм и ширины щели g = 4 мкм коэффициент потерь
 = 3,4·10-4 Дб/переход. Для сравнения, при тех же геометрических параметрах, для традиционно используемой
в стандартах напряжения микрополосковой линии, расположенной над сверхпроводящим экраном при толщине
диэлектрика 1,5 мкм, волновое сопротивление линии составляет Z = 5 – 6 Ом, а величина коэффициента потерь
в полоске и экране составляет  = 4·10-3 Дб/переход.
© A.L. Gudkov
(2012)
9
Общий вид и фрагменты экспериментального кристалла
СПИС ПЧН на основе цепочки N = 8192 джозефсоновских
переходов Nb/α-Si/Nb
а)
б)
в)
г)
а) - общий вид кристалла СПИС программируемого эталона Вольта с цепочками N = 8192
джозефсоновских переходов Nb/-Si/Nb; б) – фрагмент цепочки; в) – Т-разветвитель СВЧ
мощности; г) – фрагмент СВЧ линии нагрузки: ширина линии w = 10 мкм; ширина щели s = 4 мкм.
© A.L. Gudkov
(2012)
10
Характеристики бинарных цепочек планарных переходов
Nb/a-Si/Nb СПИС ПЧН. Частота СВЧ F = 70 ГГц
Рсвч
Рсвч=0
Напряжение V, мВ
8 переходов V8= 8·0,145 мВ = 1,16 мВ
4096 переходов V4096 = 586,6 мВ
© A.L. Gudkov
(2012)
256 переходов
V256= 256·0,145 мВ = 36,6 мВ
Зависимость высоты ступеньки тока dI1 max
от частоты для секции 512 переходов
11
Сборка и упаковка СПИС программируемого эталона Вольта
Сборка СПИС ПЧН
на печатную плату
Размер кристалла СПИС 15 х 8 мм2.
Размер печатной платы 33 х 16 мм2.
Карта бинарных отводов
СПИС ПЧН
Упаковка СПИС ПЧН
Материал тары для упаковки –
акриловое стекло.
Размеры упаковки –
длина – 80 мм;
диаметр – 20 мм.
© A.L. Gudkov
(2012)
12
Типичные формы ВАХ джозефсоновских переходов
Nb/Al/AlOx/Nb
a)
SIS
 N  N  SS
b)
Nb/α-Si/Nb
c)
SNS
c = (2e/h)IcRN2C < 1
© A.L. Gudkov
(2012)
13
Форма ВАХ джозефсоновских переходов Nb/α-Si/Nb
a) SNS
d > ξN, d > l
b) SDS
β<1
d > ξN, d ≥ l
β>1
β=1
I
Isu
Isd
N
0
© A.L. Gudkov
R
RN
Ic
V = VC
∙
I
V
[(Ī /IC)2 – 1]1/2 , IC < Ī
0
-IC < Ī < IC
- [(Ī /IC)2 – 1]1/2 , Ī < -IC
(2012)
Ic
0
Vg V
Ī = 1/2∙V3 + 3/2·V,
IC(T), RN(T)
14
Типичная ВАХ планарного джозефсоновского перехода
Nb/α-Si/Nb с параметром β ≈ 1.
а)
б)
I (мА)
I (мА)
Vс = 0,036 мВ
V (мВ)
г)
V (мВ)
Rd (Ом)
I (мА)
в)
F = 76,5 ГГц
V (мВ)
© A.L. Gudkov
(2012)
I (мА)
15
Типичная ВАХ планарного джозефсоновского перехода
Nb/α-Si/Nb с параметром β > 1.
б)
I (мА)
I (мА)
а)
I (мА)
в)
V (мВ)
F = 71 ГГц
V (мВ)
А.Л. Гудков, М.Ю. Куприянов, А.Н. Самусь.
Свойства планарных джозефсоновских
переходов Nb/α-Si/Nb с различной степенью
легирования α-Si-прослойки.
ЖЭТФ, 2012. Т. 141. Вып. 5. С. 939-952.
V (мВ)
© A.L. Gudkov
(2012)
16
Структура стека из трех джозефсоновских переходов на основе
многослойной сверхпроводниковой гетероструктуры
(S/(SN(I)S)×3)/S)
Основные преимущества стеков:
1. Повышение выходного напряжения в NS раз, и, следовательно, соответственно в NS
раз увеличение чувствительности приемного элемента. Выходное напряжение цепочки
стеков определяется формулой V = V1∙n∙NS∙N, где V1 – напряжение первой ступени.
2. Использование вертикальной структуры стеков джозефсоновских переходов
позволяет уменьшить в NS раз общие размеры цепочки джозефсоновских переходов и
всей интегральной схемы в целом.
© A.L. Gudkov
(2012)
17
Базовая микроэлектронная технология изготовления стеков
джозефсоновских переходов на основе сверхпроводниковой гетероструктуры
Nb/α-Si/Nb/α-Si/Nb
d(NbII) = 100 нм
d(Nb) = 30 нм
d(α-Si) = 7 нм
d(NbI) = 220 нм
Si - подложка
Схематический разрез сверхпроводниковой
гетероструктуры NbI/α-Si/Nb/α-Si/NbII.
50
нм
ПЭМ изображения разреза стека
из двух джозефсоновских переходов,
Nb/α-Si/Nb/α-Si/Nb.
© A.L. Gudkov
(2012)
18
Форма сверхпроводниковой гетероструктуры Nb/(Nb/α-Si/Nb)×4/Nb,
полученной с помощью метода ионно-химического травления
Фрагменты периодической структуры
травления Nb/(Nb/α-Si/Nb)×4/Nb.
Выделенный участок
склона
и профиль травления
структуры
Nb/(Nb/α-Si/Nb)×4/Nb.
Угол травления определялся по
установленным маркерам на
профиле травления и составил
около 70 градусов по всей
длине протравленной
структуры.
© A.L. Gudkov
(2012)
19
Вольтамперные характеристики стеков на основе сверхпроводниковых
гетероструктур Nb/-Si/Nb/-Si/Nb под действием СВЧ
75 ГГц
75 ГГц
ВАХ стека Nb/α-Si/Nb/α-Si/Nb с идентичными
крит.токами джозефсоноских переходов:
Ic1 = Ic2= 0,85 мА; Rn = 0,25 Ом;
Vc = 0,21 мВ; V1 = 2·155 мкВ = 310 мкВ.
© A.L. Gudkov
(2012)
ВАХ бинарных цепочек
стеков Nb/α-Si/Nb/α-Si/Nb
V2048 = 316 мВ !
20
Таблица параметров СПИС на основе джозефсоновских переходов
и стеков типа SNS
Фирма изготовитель,
тип перехода, размер,
(кол-во переходов)
Крит.
ток,
Ic, мА
Плотность
крит.тока,
Jc, кА/см2
Нормальное
сопротивление,
Rn, Ом
Характерное
напряжение,
Vc = Ic Rn,
мкВ
Рабочая
частота,
F, ГГц,
PTB (Nimayer) торцевой переход
Nb/HfTi/Nb, 0,2х1 мкм2, (10000 шт)
1
500
0,04
40 – 100
1,5 – 10
NIAIST(Japan), планарный переход
NbN/TiN/NbN/TiN/NbN/, 4,2х4,2 мкм2, (128 шт)
5
30
0.015
30
8
PTB (Nimayer) планарный переход
Nb/MoSi2/Nb/MoSi2/Nb. 4х8мкм2, (4100 стеков)
3
10 - 100
0,03
30
16 - 20
NIAIST, СПИС ПНЧ на основе стеков
NbN/TiN/NbN/TiN/NbN на
10 В 3,4 мкм × 3,4 мкм, (163 840 стеков)
1
70
0,03
33
16
0,3
1 - 10
0,5
150
75
0,5 - 2
50 - 200
1,5 - 0,5
750 - 1000
75
ФГУП НИИФП, Компэлст,
планарный переход
Nb/-Si/Nb, 9х9 мкм2, (1024 шт)
4-8
5 - 10
0,03 - 0,06
130 - 150
75
ФГУП НИИФП, Компэлст,
планарный переход Nb/-Si/Nb/
-Si/Nb, 9х9 мкм2, (1024 стека)
0,6 –
3,5
0,8 - 4
0,07 - 0,25
150 - 250
75
PTB (Nimayer) планарный переход
Nb/NbxSi1-x /Nb/NbxSi1-x/Nb 4х4 мкм2,
(1280 стеков)
ФГУП НИИФП, Компэлст, торцевой переход
Nb/-Si/Nb, 0,25х4 мкм2, (100 шт)
© A.L. Gudkov
(2012)
21
Выводы
Разработана эффективная конструкция и продемонстрировано
функционирование
первых
отечественных
сверхпроводниковых
интегральных схем преобразователей частота напряжение (СПИС ПЧН) на
основе массива 8192 джозефсоновских переходов SNS типа Nb/α-Si/Nb для
программируемого эталона Вольта.
Экспериментально
подтверждена
перспективность новой
элементной базы для СПИС ПЧН на основе джозефсоновских переходов SDS
типа и стеков джозефсоновских переходов.
На основании проведенных исследований можно заключить, что в
технологии изготовления джозефсоновских микросхем с плотной упаковкой
переходов существует еще много проблем, главная из которых –
воспроизводимость технологических процессов и наличие дефектов, как
точечных (дефекты отдельных переходов) так и невоспроизводимость
характеристик в протяженных цепочках переходов. Перечисленные проблемы
могут быть решены при использовании современного технологического
оборудования.
© A.L. Gudkov
(2012)
22
Назначение СПИС ПЧН:
развитие эталонной базы России:
комплектация Государственного и вторичных эталонов единицы постоянного
и переменного напряжения, метрологических институтов
Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии.
Калибровка прецизионных вольтметров, ЦАП и АЦП.
Рабочий эталон единицы
электрического напряжения
на эффекте Джозефсона
ВЭТ 13-12-02
(ФГУП ”ВНИИМС“)
Номинальные значения
напряжения 1,018 и 10 В.
Относительная точность
сличения с ГЭТ 13-01
(ФГУП “ВНИИМ”)
не более 5*10-8
Работа выполнена при поддержке Федерального агентства
по техническому регулированию и метрологии
и Минобрнауки России.
© A.L. Gudkov
(2012)
23
Спасибо за внимание