Способ изготовления устройства на основе эффекта джозефсона и устройство согласно этому способу

 

Изобретение относится к криогенной микроэлектронике, а именно к способу изготовления устройства на основе эффекта Джозефсона. Способ включает распыление материала, из которого выполнен элемент Джозефсона, в вакууме и осаждение распыленного материала на диэлектрическую подложку. При этом сначала на подложку из шлифованного кварца наносят пленку олеиновокислого калия (С₁₈Н₃₃О₂К). Далее распыляют спектрально чистый графит в электрическом дуговом разряде при токе дуги через электроды 15-30 А при напряжении 10-15 В со скоростью напыления Напыление на подложку ведут до осаждения на пленке из олеиновокислого калия углеродной пленки толщиной Затем подложку помещают в дистиллированную воду, а после растворения пленки из олеиновокислого калия и отделения углеродной пленки от подложки, углеродную пленку подхватывают с поверхности воды, высушивают при комнатной температуре, помещают в вакуумную печь с давлением остаточных паров не более 10^-4-10^-5 Торр и отжигают при температуре 800-1000^oС в течение 5-10 ч. Далее наклеивают на диэлектрическую подложку и напыляют на поверхности углеродной пленки контакты. В результате обеспечивается упрощение изготовления, повышение чувствительности и увеличение рабочей температуры устройства. 2 с.п. ф-лы.

Изобретение относится к криогенной микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении электронных приборов и устройств, работа которых основана на эффекте Джозефсона.

Известен способ изготовления устройства на основе эффекта Джозефсона и устройства согласно этому способу, содержащего подложку с расположенным на ней элементом Джозефсона (см. , например, патент США US 4011574, H 01 L 49/02, 1975 /1/). Элемент Джозефсона представляет собой многослойную структуру, на которой сформированы джозефсоновские переходы. Недостатками такого способа и устройства являются сложность изготовления, недостаточная чувствительность и низкая рабочая температура.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления устройства на основе эффекта Джозефсона, включающий распыление материала, из которого выполнен элемент Джозефсона, в вакууме и осаждение распыленного материала на подложку (см. патент РФ RU 2044368, Н 01 L 39/24, 1991 /3/). Недостатками такого способа являются сложность изготовления, недостаточная чувствительность изготовляемых устройств и необходимость их эксплуатации при слишком низких температурах.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является также устройство на основе эффекта Джозефсона, содержащее диэлектрическую подложку, расположенный на подложке элемент Джозефсона и выходные контакты (см. патент США US 5131976, В 44 С 1/22, 1990 /2/). Недостатками такого устройства являются сложность изготовления, недостаточная чувствительность и необходимость эксплуатации устройства при слишком низких температурах.

Заявляемые в качестве изобретения способ изготовления устройства на основе эффекта Джозефсона и устройство согласно этого способа направлены на обеспечение упрощения изготовления, повышения чувствительности устройства и на увеличения рабочей температуры.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления устройства на основе эффекта Джозефсона, включающий распыление материала, из которого выполнен элемент Джозефсона, в вакууме и осаждение распыленного материала на подложку, заключается в том, что на подложку из шлифованного кварца наносят пленку олеиновокислого калия (С₁₈Н₃₃О₂К), распыляют спектрально чистый графит в электрическом дуговом разряде при токе дуги через электроды 15-30 А при напряжении 10-15 В со скоростью напыления напыление на подложку ведут до осаждения на пленке из олеиновокислого калия углеродной пленки толщиной затем подложку помещают в дистиллированную воду, а после растворения пленки из олеиновокислого калия и отделения углеродной пленки от подложки, углеродную пленку подхватывают с поверхности воды, высушивают при комнатной температуре, помещают в вакуумную печь с давлением остаточных паров не более 10^-4-10^-5 Торр и отжигают при температуре 800-1000^oС в течение 5-10 ч, далее наклеивают на диэлектрическую подложку и напыляют на поверхности углеродной пленки контакты, а в устройстве на основе эффекта Джозефсона, содержащем диэлектрическую подложку, расположенный на подложке элемент Джозефсона и выходные контакты, выполнено из гранулярной углеродной пленки согласно этого способа.

Реализация указанного способа изготовления устройства на основе эффекта Джозефсона и устройства согласно этого способа заключается в следующем.

На подложку из шлифованного кварца наносят пленку олеиновокислого калия (С₁₈Н₃₃О₂К). Спектрально чистый (99,999%) графит распыляют в электрическом дуговом разряде при напряжении 10-15 В при токе дуги через электроды 15-30 А, значение которого поддерживается путем плавного перемещения одного из графитовых стержней по мере его распыления. Давление остаточных паров во время напыления не более 10^-4-10^-5 Торр. Расстояние от распыляющихся графитовых стержней до кварцевой подложки, размещенной на катоде, составляет ~ 20 см. Напыление на подложку ведут со скоростью напыления до осаждения на пленке из олеиновокислого калия углеродной пленки толщиной После окончания напыления подложку помещают в кювету с подогретой (для ускорения растворения) дистиллированной водой для отделения углеродной пленки от подложки. При растворении пленки из олеиновокислого калия, углеродная пленка отделяется от подложки и всплывает. Ее подхватывают с поверхности воды и высушивают при комнатной температуре. После высушивания углеродная пленка приобретает достаточную прочность для ее использования без оправки в свободном состоянии. Далее пленку помещают в вакуумную печь с давлением остаточных паров не более 10^-4-10^-5 Торр и отжигают при температуре 800-1000^oС в течение 5-10 ч. После окончания отжига, углеродную пленку извлекают из вакуумной печи и наклеивают на диэлектрическую подложку и напыляют на поверхности углеродной пленки контакты.

Полученные таким образом углеродные пленки имеют гранулярную структуру с размером гранул и обладают джозефсоновскими свойствами.

При токе в интервале 15-30 А и напряжении в интервале 10-15 В мощность разряда в электрической дуге является оптимальной с точки зрения получения данной гранулярной структуры джозефсоновского элемента. Изменение указанных интервалов тока и напряжения ведет к изменению мощности разряда и, соответственно, к изменению размеров гранул гранулярной структуры и к отсутствию джозефсоновских свойств.

В качестве примера реализации заявленных способа и устройства может служить СВЧ-детектор с элементом Джозефсона, выполненным из гранулярной углеродной пленки.

Размер типичного элемента Джозефсона для использования в качестве матрицы СВЧ-детектора может составлять до 0,51 см².

Электрические измерения проводят четырехконтактным методом. В качестве контактов используют как пружинные контакты, так и напыленные на поверхность углеродной пленки, что не влияет на характеристики устройства. Гранулярную углеродную пленку наклеивают на текстолитовую подложку.

СВЧ-сигнал подают от СВЧ-генератора (например, КХ1-43) частотой ~200 МГц и мощностью 10^-8 Вт. В углеродной пленке под действием СВЧ-излучения наводится постоянное напряжение 10-300 мВ, которое измеряют цифровым вольтметром (например, В7-34А). Измеренные величины позволяют оценить чувствительность гранулярного детектора по вольт-ваттному коэффициенту , являющемуся отношением величины наведенного в джозефсоновском детекторе постоянного напряжения к величине мощности падающего на детектор СВЧ-излучения. Зарегистрированные величины соответствуют значениям ~ (0,1-3)10⁷ В/Вт. Для аналогичных устройств с использованием криогенных пленочных датчиков /1-3/ величина вольт-ваттного коэффициента составляет ~510⁵ В/Вт.

Экспериментальная проверка показала, что при простоте конструкции заявляемое устройство на основе эффекта Джозефсона при данном способе его изготовления обладает повышенной чувствительностью по сравнению с устройствами, использующими элементы Джозефсона, выполненные из других материалов.

Формула изобретения

1. Способ изготовления устройства на основе эффекта Джозефсона, включающий распыление материала, из которого выполнен элемент Джозефсона, в вакууме и осаждение распыленного материала на диэлектрическую подложку, отличающийся тем, что на подложку из шлифованного кварца наносят пленку олеиновокислого калия (С₁₈Н₃₃О₂К), распыляют спектрально чистый графит в электрическом дуговом разряде при токе дуги через электроды 15-30 А при напряжении 10-15 В со скоростью напыления напыление на подложку ведут до осаждения на пленке из олеиновокислого калия углеродной пленки толщиной затем подложку помещают в дистиллированную воду, а после растворения пленки из олеиновокислого калия и отделения углеродной пленки от подложки, углеродную пленку подхватывают с поверхности воды, высушивают при комнатной температуре, помещают в вакуумную печь с давлением остаточных паров не более 10^-4-10^-5 Торр и отжигают при температуре 800-1000^oС в течение 5-10 ч, далее наклеивают на диэлектрическую подложку и напыляют на поверхности углеродной пленки контакты.

2. Устройство на основе эффекта Джозефсона, содержащее диэлектрическую подложку, расположенный на подложке элемент Джозефсона и выходные контакты, отличающееся тем, что он выполнен из гранулярной углеродной пленки на основе способа по п. 1.