eng
Выпуск #9/2014
А.Гудков, А.Клушин, А.Козлов
СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЕ ЦЕПОЧЕК ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ПЕРЕХОДОВ Nb/α-Si/Nb
СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЕ ЦЕПОЧЕК ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ПЕРЕХОДОВ Nb/α-Si/Nb
Просмотры: 3127
В настоящей работе впервые проведены измерения генерации цепочек низкотемпературных джозефсоновских переходов SDS-типа на основе сверхпроводниковой гетероструктуры Nb/α-Si/Nb. Проведено сравнение мощности излучения цепочек переходов SDS-типа с излучением цепочек джозефсоновских переходов из высокотемпературных сверхпроводников. Показана перспективность использования переходов SDS-типа для создания генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Показано, что ширина линии генерации зависит от разброса нормальных сопротивлений джозефсоновских переходов в цепочке.
Теги: fabri-perot resonator generator heterodyne : josephson junction magnetron sputtering microstrip line slot-hole line synchronization генератор гетеродин джозефсоновский переход магнетронное распыление микрополосковая линия резонатор фабри-перо синхронизация щелевая линия
Среди сверхпроводниковых интегральных схем на основе джозефсоновских переходов особое место занимают когерентно осциллирующие цепочки джозефсоновских переходов, которые используются как при разработке генераторов джозефсоновского излучения [1–4], так и в квантовых эталонах напряжения [5–8].12Эти применения предполагают согласование цепочек джозефсоновских переходов с передающими линиями электромагнитного излучения миллиметрового диапазона. Для облучения массивов низкотемпературных джозефсоновских переходов СВЧ-сигналом широко используются традиционные тонкопленочные линии передачи СВЧ-мощности. Первое удачное применение связано с включением длинной цепочки в тонкопленочную микрополосковую линию (МПЛ) [9]. В этом случае ниобиевые джозефсоновские туннельные переходы встраиваются в центральный проводник МПЛ. В качестве подложек в таких схемах используются пластины кремния с малой проводимостью, а в качестве изолятора МПЛ – слой окиси кремния с диэлектрической проницаемостью ε ≈ 10. Такие низкоомные СВЧ-линии отлично зарекомендовали себя при работе на частотах 70–75 ГГц. Успех в основном был связан с эффективной конструкцией антенны типа fin-line для согласования стандартного волновода с МПЛ. Максимальное число синхронизованных таким образом переходов недавно превысило 70 000 [10]. В качестве других успешных примеров следует упомянуть использование тонкопленочных линий передач: копланарной (КПЛ) [11] и щелевой (ЩЛ) [12]. КПЛ применялась для облучения СВЧ-сигналом в сантиметровом диапазоне длин волн (16–20 ГГц) переходов с малым характерным напряжением [11]. Щелевая линия [7, 8, 12] позволила упростить технологию изготовления СПИС и увеличить плотность джозефсоновских переходов на единицу длины линии по сравнению с МПЛ. Электромагнитная волна миллиметрового диапазона (70–75 ГГц) эффективно возбуждает цепочку переходов, включенных в оба проводника ЩЛ.
Для продвижения в область субмиллиметрового излучения представляет интерес использование открытых резонаторов и квазиоптических линий передачи. Проблема согласования цепочек переходов с внешним СВЧ-трактом становится актуальной в связи с достижениями технологии по формированию джозефсоновских переходов с характерными частотами до 500 ГГц и перспективами их дальнейшего повышения [13–15]. В данной работе представлены результаты экспериментального исследования цепочек джозефсоновских переходов SDS-типа [16, 17], встроенных в открытый резонатор Фабри-Перо [18], и показана эффективность данного метода согласования как для облучения массивов джозефсоновских переходов, так и для регистрации излучения из них.
Технология изготовления СПИС
Современные технологические методы позволяют изготавливать различные джозефсоновские переходы с высокими значениями основных электрических параметров. Однако для получения джозефсоновских переходов с хорошей воспроизводимостью параметров необходимо выполнить ряд технологических требований. Достаточно жесткие требования предъявляются к энергетике технологических процессов и к воспроизводимости параметров отдельных слоев сверхпроводниковой гетероструктуры. Чистота и энергетика технологических процессов должны обеспечивать чистоту и атомарную резкость границ раздела как при формировании исходной гетероструктуры, так и по окончании всего цикла изготовления СПИС.
Магнетронный метод позволяет получать практически аморфные пленки из тугоплавких материалов. Благодаря высокой скорости распыления материалов аморфные пленки Nb получаются достаточно чистыми в обычных вакуумных условиях. Слои аморфного кремния также формировались методом магнетронного распыления. Легирование α-Si-прослойки осуществлялось в процессе ее формирования методом "сораспыления" материалов Si и W из мозаичной мишени. Такой метод позволяет жестко фиксировать концентрацию W в α-Si-прослойке. В наших экспериментах концентрация W варьировалась в диапазоне 6–11%.
Формирование планарных джозефсоновских переходов начиналось с изготовления сверхпроводниковой гетероструктуры Nb/α-Si/Nb в едином вакуумном цикле. Технологические режимы были подобраны таким образом, что границы раздела α-Si-прослойки и Nb-электродов получались атомарно резкими. Далее методами фотолитографии и сухого травления формировались планарные джозефсоновские переходы. Толщина нижнего Nb-электрода составляла 200 нм, толщина верхнего электрода – 100 нм, толщина верхнего разводочного слоя Nb – 400 нм, толщина α-Si-прослойки варьировалась в пределах 7–9 нм. Между разводочным слоем Nb и верхним Nb-электродом формировался сверхпроводящий контакт. Качественный сверхпроводящий контакт определялся выбором режима высокочастотной ионной очистки в Ar поверхности верхнего Nb-электрода в окнах изоляции перед осаждением разводочного Nb-слоя. В качестве изоляции использовались слои Al2O3, напыленные методом электронно-лучевого испарения. Толщина слоя изоляции составляла 350 нм. Сформированные планарные джозефсоновские переходы Nb/α–Si/Nb имели площадь 9 × 9 мкм2. Фотография фрагмента СПИС с цепочками джозефсоновских переходов, размещенных в ЩЛ открытого типа, приведена на рис.1. Цепочка разбита на бинарные секции, от которых сделаны отводы. Параметры ЩЛ и размещение джозефсоновских переходов соответствует топологии, рассмотренной в работе [8]. Ширина микрополоска – 21 мкм, зазор щели – 4 мкм, период размещения переходов – 18 мкм.
Измерения характеристик цепочек джозефсоновских переходов
Измерительная установка (рис.2) аналогична той, которая ранее использовалась для исследования джозефсоновского излучения [3]. СПИС с джозефсоновскими переходами помещалась в полусферический резонатор Фабри–Перо на расстоянии примерно четверти длины волны от плоского зеркала. Джозефсоновское излучение детектировалось супергетеродинным приемником на промежуточной частоте fIF = 1,4 ГГц с помощью синхронного детектора в зависимости от напряжения, приложенного к цепочке джозефсоновских переходов. В состав измерительной установки также входил синтезатор миллиметрового диапазона длин волн, перестраиваемый от 70 до 80 ГГц с шагом 4 кГц и выходной мощностью около 40 мВт. Этот синтезатор использовался как в качестве источника сигнала миллиметрового диапазона при облучении цепочки переходов, так и в качестве гетеродина в составе малошумящего супергетеродинного приемника. В экспериментах использовались образцы СПИС, изготовленные в ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина" совместно с ЗАО "Компэлст", в которых для согласования ЩЛ со стандартным волноводом первоначально применялась антенна типа fin-line. Для встраивания в открытый резонатор использовали часть СПИС без антенны размером 5×10 мм. Дизайн схемы позволял проводить измерения отдельных сегментов цепочки, содержащих 32, 64, 128 и 256 джозефсоновских переходов.
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) цепочки из 64 переходов, измеренные в автономном режиме, приведены на рис.3 (кривая а). Критический ток цепочки равен Ic = 9,23 мА, а полное нормальное сопротивление цепочки равно 1,1 Ом. Это соответствует среднему нормальному сопротивлению переходов Rn = 0,017 Ом. Следовательно, характерное напряжение исследованных контактов было равно Vc ≅ 157 мкВ, а характерная частота fc ≅ 76 ГГц. Параметры переходов были близкими к оптимальным для наблюдения суммарных ступеней тока на ВАХ цепочек переходов в полосе частот синтезатора [19]. Максимальная связь цепочки джозефсоновских переходов с внешним сигналом была достигнута благодаря подстройке частоты облучения f, расстояний между сферическим и плоским зеркалами, а также между образцом и плоским зеркалом. Важным параметром также являлся угол между вектором электрического поля падающего излучения и цепочкой переходов. Как следует из проведенных ранее исследований, вектор электрического поля должен быть примерно параллелен цепочке переходов [20]. В результате при облучении на частоте f = 74,57 ГГц были получены при напряжении VJ = 9,87 мВ суммарные ступени тока (рис.3, кривая б) с большим размахом по току ΔI1 = 3,6 мА.
Для измерения излучения джозефсоновских переходов синтезатор был подключен к гетеродинному входу приемника (рис.2). Частота гетеродина была выбрана равной fLO = 74,8 ГГц. В результате медленного изменения тока смещения через контакты были зафиксированы два симметричных пика (рис.3, кривая в). Пиковая мощность излучения составляла несколько нановатт. Важно отметить, что эта мощность значительно превышала излучение из 670 пленочных бикристаллических джозефсоновских переходов из высокотемпературных сверхпроводников, которое не превышало 50 пВт [21]. Подобным же образом было измерено излучение из цепочек, содержащих N = 32, 128 и 256 контактов. Нам не удалось зафиксировать возрастания мощности излучения пропорционального числу переходов N или тем более N2. Последнее свидетельствовало бы о наличии взаимной синхронизации излучения из переходов. Однако мы полагаем, что если изменить дизайн и увеличить число переходов [3], то взаимная синхронизация должна появиться.
Ширина линии излучения в нашем случае определялась не полосой приемника, а отражала распределение сопротивлений переходов в цепочке. Для примера на рис.4 показаны ВАХ двух цепочек из 128 переходов, включенных последовательно и образующих цепочку из 256 переходов. На этих же рисунках приведены зависимости мощности джозефсоновского излучения от приложенного напряжения. Как показано в таблице, ширина пиков излучения по напряжению ∆V на уровне половинной мощности была равна 5,2 мВ и 2 мВ, что соответствует полосе ∆f, равной 19,6 ГГц и 7,6 ГГц соответственно. Эти полосы значительно превышали полосу приемника, которая была около 3 ГГц.
Из таблицы также следует, что наблюдаемые уширения полосы генерации могут быть объяснены разбросом нормальных сопротивлений переходов в цепочках, равных 26 и 9% соответственно. Насколько нам известно, такого рода измерения являются единственно возможным способом оценки разброса сопротивлений в цепочках последовательно соединенных джозефсоновских переходов.
* * *
Таким образом, джозефсоновские переходы SDS-типа на основе сверхпроводниковой гетероструктуры Nb/α–Si/Nb – это наиболее перспективная элементная база сверхпроводниковой электроники для создания генераторных СПИС с перестраиваемой частотой, а также для создания квантовых эталонов напряжения новой конструкции. В проведенном эксперименте получена рекордная пиковая мощность излучения по сравнению с высокотемпературными цепочками джозефсоновских переходов. На основе правильно организованных цепочек джозефсоновских переходов SDS-типа, конструкция которых обеспечит взаимную синхронизацию переходов, могут быть созданы генераторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн практического применения.
Авторы выражают благодарность И.Я.Краснополину за помощь в работе. А.М.Клушин благодарит за частичную поддержку грант (соглашение от 27 августа 2013г. №02.В.49.21.0003 между МОН РФ и ННГУ).
Литература
1. Darula M., Doderer T., Beuven S. Millimetre and sub-mm wavelength radiation sources based on discrete Josephson junction arrays. – Supercond. Sci. Technol., 1999, v.12. R1–R25.
2. 2. Welp U., Kadowaki K., Kleiner R. Superconducting emitters of THz radiation. –Nature Photonics, 2013, v.7, p.702–710. doi:10.1038/nphoton.2013.216.
3. Song F., Muller F., Behr R., Klushin A. Coherent emission from large arrays of discrete Josephson junctions. – Appl. Phys. Lett., 2009, v.95, р.172501-1 – 172501-3.
4. Song F., Müller F., Scheller Th., Semenov A., He M., Fang L., Hübers H.-W., Klushin A. Compact tunable sub-terahertz oscillators based on arrays on Josephson junctions. – Appl. Phys. Lett., 2011, v.98, p.142506-1–142506-3.
5. Hamilton C. A. Josephson voltage standards. – Rev. Sci. Instr., 2000, v.71, №10, р.3611–3623.
6. Schulze H., Behr R., Kohlmann J., Müller F., Niemeyer J. Design and fabrication of 10 V SINIS Josephson arrays for programmable voltage standards. – Supercond. Sci. Technol., 2000, v.13. р.1293–1295.
7. Гудков А.Л., Гогин А.А., Козлов А.И., Самусь А.Н., Краснополин И.Я. Эталон напряжения постоянного тока. Сверхпроводниковая ИС на основе переходов Джозефсона. – Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2007, №6, с.90–93.
8. Гудков А.Л., Катков А.С., Козлов А.И., Краснополин И.Я., Самусь А.Н. СПИС программируемого эталона Вольта и перспектива развития элементной базы. – Приборы, 2011, № 11 (137), с.19–25.
9. Niemeyer J., Hinken J. H., Kautz R.L. Microwave-induced constant-voltage steps at one volt from a series array of Josephson junctions. – Appl. Phys. Lett., 1984, v.45, р.478–480.
10. Schulze H., Behr R., Kohlmann J., Müller F., Niemeyer J. Design and fabrication of 10 V SINIS Josephson arrays for programmable voltage standards. – Supercond. Sci. Technol., 2000, v.13, р.1293–1295.
11. Benz S.P. Superconductor-normal-superconductor junctions for programmable voltage standards. – Appl. Phys. Lett., 1995, v.67, р.2714–2716.
12. Schubert M., May T., G. Wende G., Fritzsch L., Meyer H.-G. Coplanar strips for Josephson voltage standard circuits. – Appl. Phys. Lett., v.79, №7, р.1009–1011.
13. Гудков А.Л., Куприянов М.Ю., Лихарев К.К. Свойства джозефсоновских переходов с прослойкой из легированного кремния. – ЖЭТФ, 1988, т.94, вып.7, с.319–332.
14. Olaya D., Dresselhaus P.D., Benz S.P., Bjarnason J., Grossman E.N. Amorphous Nb-Si Barrier Junctions for Voltage Standard and Digital Applications. – IEEE Trans. Appl. Superc., 2009, v.19, №3, 2009, р.144–148.
15. Mueller F., Behr R., Weimann T., Palafox L., Olaya D., Dresselhaus P.D., Benz S.P. 1 V and 10 V SNS Programmable Voltage Standards for 70 GHz. – IEEE Trans. Appl. Superc., 2009, v.19, № 3, р.981–986.
16. Гудков А.Л., Куприянов М.Ю., Самусь А.Н. Свойства планарных джозефсоновских переходов Nb/α-Si/Nb с различной степенью легирования α-Si-прослойки. – ЖЭТФ, 2012, т.141, вып. 5, с.939–952.
17. Гудков А.Л., Козлов А.И., Самусь А.Н., Краснополин И.Я. Проектирование СПИС преобразователя частота-напряжение для программируемого эталона Вольта. – Сборник трудов V Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2012" (МЭС-2012), 2012, с.643–648.
18. Klushin A.M., Druzhnov D.M., Klein N. Bicrystal Josephson Junctions and Arrays in a Fabry-Perot Resonator. – J. Phys.: Conf. Ser., 2006, v.43, р.1155–1158.
19. Боровицкий С.И., Клушин A.M., Коротина Т.Б., Парийский А.Е., Хорошев С.К., Шишарин П.А. Увеличение рабочего напряжения на цепочках джозефсоновских контактов. – Письма в ЖТФ, 1985, т.11 №11, р.663–667.
20. Klushin A., He M., Yan S.L., Klein N. Arrays of high-Tc Josephson junctions in mm wave resonator. – Appl. Phys. Lett. 2006, v.89, р.232505–232507.
21. Song F., Levitchev M., Merkelov V., Kurin V., Fang L., Klushin A. Millimeter-wavelength radiation from arrays of discrete high-temperature superconductor Josephison junctions. – Supercond. Sci. Technol., 2010, v.23, p.034026-1–034026-6.
1 ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина"
2 ИФМ РАН, ОАО "ФНПЦ "ННИПИ "Кварц" им. А.П.Горшкова",
ННГУ им. Н.И.Лобачевского, Нижний Новгород
Для продвижения в область субмиллиметрового излучения представляет интерес использование открытых резонаторов и квазиоптических линий передачи. Проблема согласования цепочек переходов с внешним СВЧ-трактом становится актуальной в связи с достижениями технологии по формированию джозефсоновских переходов с характерными частотами до 500 ГГц и перспективами их дальнейшего повышения [13–15]. В данной работе представлены результаты экспериментального исследования цепочек джозефсоновских переходов SDS-типа [16, 17], встроенных в открытый резонатор Фабри-Перо [18], и показана эффективность данного метода согласования как для облучения массивов джозефсоновских переходов, так и для регистрации излучения из них.
Технология изготовления СПИС
Современные технологические методы позволяют изготавливать различные джозефсоновские переходы с высокими значениями основных электрических параметров. Однако для получения джозефсоновских переходов с хорошей воспроизводимостью параметров необходимо выполнить ряд технологических требований. Достаточно жесткие требования предъявляются к энергетике технологических процессов и к воспроизводимости параметров отдельных слоев сверхпроводниковой гетероструктуры. Чистота и энергетика технологических процессов должны обеспечивать чистоту и атомарную резкость границ раздела как при формировании исходной гетероструктуры, так и по окончании всего цикла изготовления СПИС.
Магнетронный метод позволяет получать практически аморфные пленки из тугоплавких материалов. Благодаря высокой скорости распыления материалов аморфные пленки Nb получаются достаточно чистыми в обычных вакуумных условиях. Слои аморфного кремния также формировались методом магнетронного распыления. Легирование α-Si-прослойки осуществлялось в процессе ее формирования методом "сораспыления" материалов Si и W из мозаичной мишени. Такой метод позволяет жестко фиксировать концентрацию W в α-Si-прослойке. В наших экспериментах концентрация W варьировалась в диапазоне 6–11%.
Формирование планарных джозефсоновских переходов начиналось с изготовления сверхпроводниковой гетероструктуры Nb/α-Si/Nb в едином вакуумном цикле. Технологические режимы были подобраны таким образом, что границы раздела α-Si-прослойки и Nb-электродов получались атомарно резкими. Далее методами фотолитографии и сухого травления формировались планарные джозефсоновские переходы. Толщина нижнего Nb-электрода составляла 200 нм, толщина верхнего электрода – 100 нм, толщина верхнего разводочного слоя Nb – 400 нм, толщина α-Si-прослойки варьировалась в пределах 7–9 нм. Между разводочным слоем Nb и верхним Nb-электродом формировался сверхпроводящий контакт. Качественный сверхпроводящий контакт определялся выбором режима высокочастотной ионной очистки в Ar поверхности верхнего Nb-электрода в окнах изоляции перед осаждением разводочного Nb-слоя. В качестве изоляции использовались слои Al2O3, напыленные методом электронно-лучевого испарения. Толщина слоя изоляции составляла 350 нм. Сформированные планарные джозефсоновские переходы Nb/α–Si/Nb имели площадь 9 × 9 мкм2. Фотография фрагмента СПИС с цепочками джозефсоновских переходов, размещенных в ЩЛ открытого типа, приведена на рис.1. Цепочка разбита на бинарные секции, от которых сделаны отводы. Параметры ЩЛ и размещение джозефсоновских переходов соответствует топологии, рассмотренной в работе [8]. Ширина микрополоска – 21 мкм, зазор щели – 4 мкм, период размещения переходов – 18 мкм.
Измерения характеристик цепочек джозефсоновских переходов
Измерительная установка (рис.2) аналогична той, которая ранее использовалась для исследования джозефсоновского излучения [3]. СПИС с джозефсоновскими переходами помещалась в полусферический резонатор Фабри–Перо на расстоянии примерно четверти длины волны от плоского зеркала. Джозефсоновское излучение детектировалось супергетеродинным приемником на промежуточной частоте fIF = 1,4 ГГц с помощью синхронного детектора в зависимости от напряжения, приложенного к цепочке джозефсоновских переходов. В состав измерительной установки также входил синтезатор миллиметрового диапазона длин волн, перестраиваемый от 70 до 80 ГГц с шагом 4 кГц и выходной мощностью около 40 мВт. Этот синтезатор использовался как в качестве источника сигнала миллиметрового диапазона при облучении цепочки переходов, так и в качестве гетеродина в составе малошумящего супергетеродинного приемника. В экспериментах использовались образцы СПИС, изготовленные в ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина" совместно с ЗАО "Компэлст", в которых для согласования ЩЛ со стандартным волноводом первоначально применялась антенна типа fin-line. Для встраивания в открытый резонатор использовали часть СПИС без антенны размером 5×10 мм. Дизайн схемы позволял проводить измерения отдельных сегментов цепочки, содержащих 32, 64, 128 и 256 джозефсоновских переходов.
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) цепочки из 64 переходов, измеренные в автономном режиме, приведены на рис.3 (кривая а). Критический ток цепочки равен Ic = 9,23 мА, а полное нормальное сопротивление цепочки равно 1,1 Ом. Это соответствует среднему нормальному сопротивлению переходов Rn = 0,017 Ом. Следовательно, характерное напряжение исследованных контактов было равно Vc ≅ 157 мкВ, а характерная частота fc ≅ 76 ГГц. Параметры переходов были близкими к оптимальным для наблюдения суммарных ступеней тока на ВАХ цепочек переходов в полосе частот синтезатора [19]. Максимальная связь цепочки джозефсоновских переходов с внешним сигналом была достигнута благодаря подстройке частоты облучения f, расстояний между сферическим и плоским зеркалами, а также между образцом и плоским зеркалом. Важным параметром также являлся угол между вектором электрического поля падающего излучения и цепочкой переходов. Как следует из проведенных ранее исследований, вектор электрического поля должен быть примерно параллелен цепочке переходов [20]. В результате при облучении на частоте f = 74,57 ГГц были получены при напряжении VJ = 9,87 мВ суммарные ступени тока (рис.3, кривая б) с большим размахом по току ΔI1 = 3,6 мА.
Для измерения излучения джозефсоновских переходов синтезатор был подключен к гетеродинному входу приемника (рис.2). Частота гетеродина была выбрана равной fLO = 74,8 ГГц. В результате медленного изменения тока смещения через контакты были зафиксированы два симметричных пика (рис.3, кривая в). Пиковая мощность излучения составляла несколько нановатт. Важно отметить, что эта мощность значительно превышала излучение из 670 пленочных бикристаллических джозефсоновских переходов из высокотемпературных сверхпроводников, которое не превышало 50 пВт [21]. Подобным же образом было измерено излучение из цепочек, содержащих N = 32, 128 и 256 контактов. Нам не удалось зафиксировать возрастания мощности излучения пропорционального числу переходов N или тем более N2. Последнее свидетельствовало бы о наличии взаимной синхронизации излучения из переходов. Однако мы полагаем, что если изменить дизайн и увеличить число переходов [3], то взаимная синхронизация должна появиться.
Ширина линии излучения в нашем случае определялась не полосой приемника, а отражала распределение сопротивлений переходов в цепочке. Для примера на рис.4 показаны ВАХ двух цепочек из 128 переходов, включенных последовательно и образующих цепочку из 256 переходов. На этих же рисунках приведены зависимости мощности джозефсоновского излучения от приложенного напряжения. Как показано в таблице, ширина пиков излучения по напряжению ∆V на уровне половинной мощности была равна 5,2 мВ и 2 мВ, что соответствует полосе ∆f, равной 19,6 ГГц и 7,6 ГГц соответственно. Эти полосы значительно превышали полосу приемника, которая была около 3 ГГц.
Из таблицы также следует, что наблюдаемые уширения полосы генерации могут быть объяснены разбросом нормальных сопротивлений переходов в цепочках, равных 26 и 9% соответственно. Насколько нам известно, такого рода измерения являются единственно возможным способом оценки разброса сопротивлений в цепочках последовательно соединенных джозефсоновских переходов.
* * *
Таким образом, джозефсоновские переходы SDS-типа на основе сверхпроводниковой гетероструктуры Nb/α–Si/Nb – это наиболее перспективная элементная база сверхпроводниковой электроники для создания генераторных СПИС с перестраиваемой частотой, а также для создания квантовых эталонов напряжения новой конструкции. В проведенном эксперименте получена рекордная пиковая мощность излучения по сравнению с высокотемпературными цепочками джозефсоновских переходов. На основе правильно организованных цепочек джозефсоновских переходов SDS-типа, конструкция которых обеспечит взаимную синхронизацию переходов, могут быть созданы генераторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн практического применения.
Авторы выражают благодарность И.Я.Краснополину за помощь в работе. А.М.Клушин благодарит за частичную поддержку грант (соглашение от 27 августа 2013г. №02.В.49.21.0003 между МОН РФ и ННГУ).
Литература
1. Darula M., Doderer T., Beuven S. Millimetre and sub-mm wavelength radiation sources based on discrete Josephson junction arrays. – Supercond. Sci. Technol., 1999, v.12. R1–R25.
2. 2. Welp U., Kadowaki K., Kleiner R. Superconducting emitters of THz radiation. –Nature Photonics, 2013, v.7, p.702–710. doi:10.1038/nphoton.2013.216.
3. Song F., Muller F., Behr R., Klushin A. Coherent emission from large arrays of discrete Josephson junctions. – Appl. Phys. Lett., 2009, v.95, р.172501-1 – 172501-3.
4. Song F., Müller F., Scheller Th., Semenov A., He M., Fang L., Hübers H.-W., Klushin A. Compact tunable sub-terahertz oscillators based on arrays on Josephson junctions. – Appl. Phys. Lett., 2011, v.98, p.142506-1–142506-3.
5. Hamilton C. A. Josephson voltage standards. – Rev. Sci. Instr., 2000, v.71, №10, р.3611–3623.
6. Schulze H., Behr R., Kohlmann J., Müller F., Niemeyer J. Design and fabrication of 10 V SINIS Josephson arrays for programmable voltage standards. – Supercond. Sci. Technol., 2000, v.13. р.1293–1295.
7. Гудков А.Л., Гогин А.А., Козлов А.И., Самусь А.Н., Краснополин И.Я. Эталон напряжения постоянного тока. Сверхпроводниковая ИС на основе переходов Джозефсона. – Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 2007, №6, с.90–93.
8. Гудков А.Л., Катков А.С., Козлов А.И., Краснополин И.Я., Самусь А.Н. СПИС программируемого эталона Вольта и перспектива развития элементной базы. – Приборы, 2011, № 11 (137), с.19–25.
9. Niemeyer J., Hinken J. H., Kautz R.L. Microwave-induced constant-voltage steps at one volt from a series array of Josephson junctions. – Appl. Phys. Lett., 1984, v.45, р.478–480.
10. Schulze H., Behr R., Kohlmann J., Müller F., Niemeyer J. Design and fabrication of 10 V SINIS Josephson arrays for programmable voltage standards. – Supercond. Sci. Technol., 2000, v.13, р.1293–1295.
11. Benz S.P. Superconductor-normal-superconductor junctions for programmable voltage standards. – Appl. Phys. Lett., 1995, v.67, р.2714–2716.
12. Schubert M., May T., G. Wende G., Fritzsch L., Meyer H.-G. Coplanar strips for Josephson voltage standard circuits. – Appl. Phys. Lett., v.79, №7, р.1009–1011.
13. Гудков А.Л., Куприянов М.Ю., Лихарев К.К. Свойства джозефсоновских переходов с прослойкой из легированного кремния. – ЖЭТФ, 1988, т.94, вып.7, с.319–332.
14. Olaya D., Dresselhaus P.D., Benz S.P., Bjarnason J., Grossman E.N. Amorphous Nb-Si Barrier Junctions for Voltage Standard and Digital Applications. – IEEE Trans. Appl. Superc., 2009, v.19, №3, 2009, р.144–148.
15. Mueller F., Behr R., Weimann T., Palafox L., Olaya D., Dresselhaus P.D., Benz S.P. 1 V and 10 V SNS Programmable Voltage Standards for 70 GHz. – IEEE Trans. Appl. Superc., 2009, v.19, № 3, р.981–986.
16. Гудков А.Л., Куприянов М.Ю., Самусь А.Н. Свойства планарных джозефсоновских переходов Nb/α-Si/Nb с различной степенью легирования α-Si-прослойки. – ЖЭТФ, 2012, т.141, вып. 5, с.939–952.
17. Гудков А.Л., Козлов А.И., Самусь А.Н., Краснополин И.Я. Проектирование СПИС преобразователя частота-напряжение для программируемого эталона Вольта. – Сборник трудов V Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2012" (МЭС-2012), 2012, с.643–648.
18. Klushin A.M., Druzhnov D.M., Klein N. Bicrystal Josephson Junctions and Arrays in a Fabry-Perot Resonator. – J. Phys.: Conf. Ser., 2006, v.43, р.1155–1158.
19. Боровицкий С.И., Клушин A.M., Коротина Т.Б., Парийский А.Е., Хорошев С.К., Шишарин П.А. Увеличение рабочего напряжения на цепочках джозефсоновских контактов. – Письма в ЖТФ, 1985, т.11 №11, р.663–667.
20. Klushin A., He M., Yan S.L., Klein N. Arrays of high-Tc Josephson junctions in mm wave resonator. – Appl. Phys. Lett. 2006, v.89, р.232505–232507.
21. Song F., Levitchev M., Merkelov V., Kurin V., Fang L., Klushin A. Millimeter-wavelength radiation from arrays of discrete high-temperature superconductor Josephison junctions. – Supercond. Sci. Technol., 2010, v.23, p.034026-1–034026-6.
1 ФГУП "НИИФП им. Ф.В.Лукина"
2 ИФМ РАН, ОАО "ФНПЦ "ННИПИ "Кварц" им. А.П.Горшкова",
ННГУ им. Н.И.Лобачевского, Нижний Новгород
Отзывы читателей
