Достойный hi-tech российского производства

Открытие явлениявысокотемпературнойсверхпроводимости и последующая концентрация усилий на исследовании этого феномена существенно затормозили исследования в традиционных длянизкотемпературнойсверхпроводимости направлениях. Практически одновременно с открытием ВТСП были начаты исследования процессов в двухбарьерных НТСП джозефсоновских переходах (Nb/Al/AlO_x/Al/AlO_x/Nb), а также в многослойных структурах с чередующимися магнитными и сверхпроводящими слоями (а, как показали дальнейшие события, тут-то как раз и открывалась широкая перспектива). К счастью для этих направлений (и к сожалению для ВТСП) сложный анизотропный характер спаривания в ВТСП не позволил реализовать на них сколь-нибудь масштабных прикладных проектов, по крайней мере, в области слаботочной сверхпроводимости, и исследователи снова вернулись к временно оставленным эффектам в НТСП.

Долгое время считалось, что основные трудности изготовления ВТСП переходов связаны с технологией. Из-за малой длины когерентности (несколько ангстрем) ВТСП материалов для получения качественных и воспроизводимых по параметрам джозефсоновских переходов требовалось решить три технологические проблемы: выращивание эпитаксиальных ВТСП пленок и многослойных структур, формирование необходимой микроструктуры пленки, контроль границ наатомарномуровне.

Большинство из этих проблем были успешно решены, в том числе и в России. Так, в рамках финансировавшейся Минпромнауки подпрограммы<Сверхпроводимость>были освоены методы выращивания различных монокристаллов, подходящих в качестве подложек для осаждения ВТСП пленок, и методы обработки поверхности подложек (МЭИ, ИК РАН, ИРЭ РАН, ФИАН). Более того, сотрудники МЭИ, ИКАН, МГУ, ИРЭ РАН разработали уникальные методы выращивания бикристаллов титаната стронция, сапфира и галата ниодима. Именно на этих подложках удалось изготовить рекордные по шумовым характеристикам ВТСП джозефсоновские структуры. Квантовые интерферометры (сквиды), изготовленные на таких подложках, имели рекордные для 77К параметры: чувствительность по магнитному потоку — 2.5х10-5Ф0/Гц1/2 (на частотах выше 30Гц), частота среза шума 1/f— ~10Гц, глубина модуляции выходного сигнала — до 120мкВ. Осаждение качественных эпитаксиальных ВТСП пленок и формирование многослойных структур было освоено в ИФМ РАН, ФИАН, ИРЭ РАН, НИИЦТА РАН и МГУ. И, тем не менее, добиться требуемой однородности параметров для относительно сложных устройств, содержащих донескольких десятков ВТСП переходов, не удалось ни в России, ни за рубежом.

Лишь сравнительно недавно стало ясно, что проблема однородности и воспроизводимости параметров имеет фундаментальную физическую природу, являясь следствием присущего ВТСП типа спаривания (отличного от традиционного для НТСП материалов). В серии экспериментов (интерференционные эффекты в гибридных ВТСП-НТСП структурах, аномальная проводимость в области малых напряжений у джозефсоновских переходов и у различного типа межзеренных границ) были получены существенные аргументы в пользу анизотропного, так называемогоd-спаривания.

Известно, чтоd-спаривание весьма чувствительно к рассеянию электронов на примесях и подавляется при относительно небольших их концентрациях. Однако в ВТСП дефекты локализуются в межплоскостных позициях, так что транспортные свойства в сверхпроводящихCuOплоскостях с хорошей точностью соответствуют условию чистого предела. Ситуация меняется кардинальным образом в окрестностях межзеренных границ или искусственно созданных интерфейсов джозефсоновских переходов. Результатом рассеяния электронов на границах и дефектах, локализованных в их окрестностях, является частичное или полное подавление спаривания вd-канале, которое сопровождается возникновением cверхпроводимостиs— типа.

Причина этого проста. Налетающий на границу из области с положительным потенциалом сверхпроводящего спаривания электрон может в результате рассеяния попасть в область пространства с отрицательным потенциалом. Качественно ясно, что такая смена знака предполагает наличие области, в которой плотность куперовских пар проходит через ноль, по крайней мере, на таких квазичастичных траекториях. Доля таких траекторий, а, следовательно, и степень подавления сверхпроводящих свойств границей, зависит от угла между нормалью к границе и кристаллографическими осями, лежащими вСuOплоскостях. Если эти два направления совпадают, то никакого подавления нет. Однако, если угол между ними равен 45º, то величина потенциала спаривания на границе оказывается строго равной нулю. Такое локальное подавления сверхпроводящих свойств сопровождается возникновением аномально большой нормальной проводимости в области малых напряжений, генерацией андреевских связанных состояний при конечных энергиях, т.е. влияет не только на локальное значение критического тока, но и на параметры, ответственные за транспорт нормальных электронов.

В разработанных на настоящий момент типах ВТСП джозефсоновских переходов (переходы на бикристаллических подложках, торцевые переходы, переходы, получаемые в результате модификации свойств ВТСП материалов, вызванной каким либо воздействием) контроль за локальным значением угла между нормалью к границе и кристаллографическими осями практически невозможен. Как следствие — неоднородность параметров, отвечающих за транспорт как сверхпроводящей, так и нормальной компонент тока.

Понятно, что решение проблемы лежит в создании технологии, способной манипулировать атомарно-гладкими границами. Однако на решение этой сложнейшей технологической проблемы уже не имелось ни средств, ни концентрированного общественного мнения в поддержку нового дорогостоящего направления.

В создавшейся ситуации многие научные центры снова переориентировались на традиционные НТСП материалы и структуры. В ход пошло то, на чем это направление остановилось в конце восьмидесятых.

Прежде всего, это — двухбарьерные джозефсоновские структуры. Еще в 1988 году в работе М.Ю. Куприянова и В.Ф. Лукичева [1] было показано, что такие структуры выгодно сочетают в себе основные достоинства слабых связей и туннельных джозефсоновских переходов. Интенсивные экспериментальные и теоретические исследования двухбарьерных структур, проведенные спустя 10 лет (1998 — 2001 г.г.), действительно это подтвердили. В частности, было показано, что

1. в двухбарьерных структурах имеет место внутреннее шунтирование, т.е. их вольт-амперная характеристика (ВАХ) в области малых напряжений близка по своей форме к ВАХ шунтированных туннельных переходов, причем, значение параметра Мак-Камбера b_C= 1-3 оказывается близким к его оптимальной для построения цифровых устройств величине b_C=1;

2. нормальное сопротивление переходов фактически задается сопротивлением границ, которое определяется хорошо контролируемым процессом термического окисления алюминия (типичная величина сопротивления — ~1 Ом как раз решает проблему согласования джозефсоновской структуры с полосковыми линиями);

3. увеличение прозрачности барьеров до уровня плотности критического тока структуры ~20кА/см2(в туннельных переходах соднимбарьером эта величина ~100кА/см2) не приводит к сильному разбросу критических токов (как в структурах с одной границей); это является следствием двух самоусредняющихся эффектов — (1) наличие двух параллельных границ приводит к ничтожно малой вероятности возникновения прокола одновременно в обоих диэлектрических слоях и (2) относительно большая длина когерентности межбарьерного материала (Al) эффективно усредняет возникающие неоднородности сверхпроводящих свойств в направлении, перпендикулярном транспорту сверхпроводящей и нормальной компонент тока.

Психологически важным оказалось то обстоятельство, что процесс изготовления двухбарьерных структурNb/Al/AlO_x/Al/AlO_x/Nbмало отличается от стандартного и уже хорошо разработанного процесса формирования туннельных переходовNb/Al/AlO_x/Nbс одним барьером: лишь нанесением дополнительного тонкого слоя алюминия и его окислением (никаких новых технологических изысков).

Массированная атака довольно скоро привела к обнадеживающему результату. Так, в технологииРТВ(Брауншвайг, Германия) уже изготовлены микросхемы, содержащие ~70 000 двухбарьерных джозефсоновских переходовNb/Al/AlOx/Al/AlOx/Nb[2,3]. Разброс их критических токов и нормальных сопротивлений оказался менее 10%, а значение характерного напряжения ~100мкВ, т.е. такое, которое достаточно для цифровых устройств сегодняшнего уровня. При этом, добиться аналогичной воспроизводимости в существующих технологиях на однобарьерныхNb/Al/AlO_x//Nbпереходах еще никому не удавалось. Фактически произошел скачок на порядок, т.е. появилась возможность перейти от устройств, содержащих единицы тысяч активных элементов к устройствам с десятками тысяч переходов.

Новую технологию уже начали активно использовать при разработке нового поколения эталона Вольта. Для создания цифровых микросхем желательно поднять значение характерного напряжения от сегодняшних 100мкВ хотя бы в несколько раз, а лучше до уровне 1мВ. Такое увеличение открыло бы путь к устройствам высокоскоростной обработки информации со временем элементарной логической операции на уровне, близком к 1ТГц.

Работа в этом направлении сейчас активно ведется в Германии, Голландии, США. Стали видны основные трудности, связанные с необходимостью более строгого контроля процессов окисления, особенно промежуточного, тонкого слоя алюминия. К сожалению, необходимых людских и материальных ресурсов для развития этого направления в России на данный момент нет, и исследования в этом направлении у нас пока не проводятся.

М. Куприянов

1. ЖЭТФ, 1988, т. 94, с. 139-149

2. Physica C, 2001, 350, p. 291

3. Physica C, 2001, 354, p. 66

ПЕРСТ