WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 4 06 Источники фликкер-шума и технология сверхпроводящих микрополосков на основе пленок иттрий-бариевого купрата © С.Ф. Карманенко,1 А.А. Семенов,1 В.Н. Леонов,2 А.В. Бобыль,3 А.И. Дедоборец,3 А.В. Лунев,3 А.В. Нащекин,3 Р.А. Сурис3 1 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, 197376 Санкт-Петербург, Россия 2 Всероссийский научный центр ”ГОИ им. С.И. Вавилова”, 199034 Санкт-Петербург, Россия 3 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 1 апреля 1999 г.) Моделирование процесса отжига эпитаксиальных пленок YBa2Cu3O7 в рабочих диапазонах частоты и температуры показало, что преобладающими источниками фликкер-шума в сверхпроводниковых микрополосках являются переходы кислорода вблизи малоугловых границ блоков. Для изготовления сверхпроводящих микрополосков размером 1 µm применялись технологии магнетронного распыления и травления химическим и ионно-лучевым методами.

Введение Данная работа имела целью совершенствование технологии сверхпроводниковых микрополосков на основе Для сравнительного анализа уровня фликкер-шума [1] модельных расчетов и экспериментальных исследовапленочных микрополосков обычно применяется параний. На начальном этапе выявлялась природа источметр Хоуге (). Эпитаксиальные пленки высокотемников фликкер-шума, преобладающих на рабочей чапературных сверхпроводников YBa2Cu3O7 обладают выстоте f и температуре T. Для этой цели провосоким уровнем шумового параметра > 10-3 при дилось Монте-Карло-моделирование пространственного 93 K, что превышает на 2–3 порядка значения для распределения кислорода по базовой CuO плоскости нормальных металлов [1–3]. Высокие значения YBa2Cu3O7. В результате применения комплексного свидетельствуют о слабой конкурентной способности подхода к решению указанной задачи были получены оксидных сверхпроводников для применений в криоследующие результаты: изготовлены микрополоски с электронных болометрах. Допустимые характеристики размером 1-3 1-5 µm и субмикронным разрешением болометрических приборов на основе пленок YBa2Cu3O7 по ширине края структур 0.2 µm; снижена концентраобычно достигаются только за счет высокого значения ция источников фликкер-шума, дефектов-флуктуаторов в температурного коэффициента сопротивления в области области энергий 0.2–0.6 eV примерно в 3 раза по сравнефазового перехода. Кроме этого, большие значения шунию с предыдущими [6,11] лучшими результатами [12];

мового параметра прогнозируют быструю деградацию достигнуты рекордные значения параметра Хоуге 10-рабочих характеристик болометров, поскольку высокий при 93 K на YBa2Cu3O7 микрополосках.

уровень указывает на значительную концентрацию метастабильных дефектов и их интенсивную низкотемМонте-Карло-моделирование пературную диффузию [4]. Улучшение структурного совершенства и снижение дефектности пленок являют- и источники шума на f-T-плоскостти ся актуальной задачей технологии сверхпроводниковых Распределение атомов кислорода по двум подреболометрических приборов.

шеткам CuO плоскости рассчитывалось по схеме Для ряда перспективных приборов современной криоэлектроники необходимо добиваться субмикронного раз- Метрополиса метода Монте-Карло в рамках модели ANNN [13–16], учитывающей отталкивающие взаиморешения на пленочных топологиях [5–8]. Стандартные литографические процессы, разработанные для полупро- действия ближайших атомов кислорода и притягиваюводниковой микроэлектроники, и основанные на химиче- щее взаимодействие цепочечных атомов кислорода через орбитали находящихся между ними атомов Cu. Процесс ском способе травления, не обеспечивают необходимые модельного отжига начинался при высокой температуразрешения [6]. Простая адаптация методов ионного и лазерного травления [9,10] также не дает удовлетвори- ре и хаотическом распределении атомов кислорода по тельных результатов из-за сильной деградации кисло- подрешеткам, а заканчивался при низкой температуре родной подрешетки и ухудшения сверхпроводящих и образованием упорядоченной фазы. Как показано в [3], шумовых параметров пленок: критической температуры эпитаксиальные YBa2Cu3O7 пленки состоят из малоугло(Tc), ширины резистивного перехода (Tc), плотности вых блоков и границыэтих блоков являются основными критического тока ( jc); и др. [7,8]. каналами, через которые проходят потоки кислорода 64 С.Ф. Карманенко, А.А. Семенов, В.Н. Леонов, А.В. Бобыль, А.И. Дедоборец, А.В. Лунев...

в соседний пустой узел рассчитывалась в приближении гармонического потенциала ямы узла [14]. Пространственное распределение барьеров, усредненное по соседним узлам, показанное на рис. 1, соответствует распределению атомов кислорода (светлы и темные кружки обозначают атомы кислорода и меди соответственно) и энергии барьеров активации на CuO плоскости вблизи границы малоугловых блоков. На рис. 1, b выделены семь уровней шкалы серых оттенков, соответствующих приращению энергии активационного барьера (Eb = 0.15 eV на один уровень), начиная от нижнего (темного) уровня Eb = 0.5 eV. Аналогичное распределение внутри блока имеет однородный, случайный характер. Спектр энергий дефектов-флуктуаторов, показанный на рис. 2, определялся в результате подсчета количества барьеров при переходе атома кислорода с энергией E на устойчивый соседний узел. Приведенные на рис. 2 спектры 3 и получены путем соответствующих комбинаций спектров 1 и 2 с учетом зависимости доли дефектов-флуктуаторов на границе и внутри блока в зависимости от его размера.

Штриховые прямые на спектрах 3 и 4 примерно соответствуют результатам шумовых измерений, приведенным в [3], для пленок YBa2Cu3O7- на Si и MgO подложках, имеющих аналогичные размеры блоков. Из рис. 1 и 2 видно, что атомы кислорода, расположенные вблизи границы блока, цепочек дефектов и в упорядоченной фазе имеют следующие энергии барьеров: менее 0.5, 0.5–1.4 и более 1.4 eV соответственно. Используя эти значения, а также известное соотношение для величины энергии, которую атом может получить термоактивационным путем за время 1/ f при температуре T [1], E = kT ln(2 f ), (1) -где — дебаевская частота ( 10-13s-1), можно на f -T -плоскости обозначить области, показанные на рис. 3, в пределах которых преобладающими будут соответствующие источники фликкер-шума. Пунктир разРис. 1. Монте-Карло-моделирование пространственного рас- деляет область актуальных частот регистрации сигналов пределения атомов кислорода (a) и энергии барьеров активации на CuO плоскости вблизи границы малоуглового блока YBa2Cu3O7 пленок (b), а также зависимость кислородного состава в перпендикулярном направлении к границе блока (c).

в зависимости от режимов послеростовых отжигов и атмосферы хранения [4,6,17]. Предложенная модель учитывала обеднение кислородом границ блоков следующим образом. На квадрате 44 44 узлов разбрасывались атомов, что соответствовало кислородной нестехиометрии = 0. В процессе понижения температуры после каждых четырех Монте-Карло-шагов на атом из расчетов исключали атомы, попавшие на узлы с координатами x = 0 и x = -1, y = -22 22, которые отмечены на рис. 1, a темной полосой. Там же показано окончательное распределение атомов, возникавшее после завершения Рис. 2. Спектр дефектов-флуктуаторов внутри блока (1) и отжига, в результате 103 шагов и суммарного удаления вблизи блоков (2), а также моделирование реальных пленок с 100 атомов. Высота барьера E при переходе атома размерами блоков 40 nm (3) и 200 nm (4).

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Источники фликкер-шума и технология сверхпроводящих микрополосков на основе пленок... снижения скорости роста и изменении режимов в начальный период роста и процесса термической обработки пленок. В усовершенствованном технологическом процессе по сравнению с тем, который применялся в работах [3,18,19], в начальный период осаждения устанавливалось пониженное значение удельной мощности магнетронного разряда w ( 30% от номинального значения), которое плавно увеличивалось до 4-5W/cmв течение 20–25 min. Температура подложки также постепенно снижалась на 20–30 K в течение указанного времени. Значение температуры подложки в установившемся процессе роста составляло 1000 K. Значение Vg варьировалось в диапазоне 0.7–1.0 nm/min посредством управления p и w. Толщина пленок составляла 200–1000 nm. После окончания процесса осаждения проРис. 3. Преобладающие источники фликкер-шума на f -T ходила термообработка пленок в атмосфере кислорода.

плоскости. В областях 1–3 дефектами-флуктуаторами являются Температура плавно понижалась до 750 K и после атомы кислорода, расположенные вблизи границы блока, вбливыдержки не менее 20 min пленки плавно охлаждались зи дефектов цепочек и в упорядоченной фазе соответственно.

в течение 1 h. Указанная операция термообработки способствовала понижению плотности планарных угловых границ, образующихся при тетраортоструктурном (> 1Hz) и область частот деградационных процессов. переходе [22].

В приборах, работающих вблизи Tc, при f > 1Hz В качестве подложек для выращивания эпитаксиальосновными источниками шума являются границы блоков ных пленок YBa2Cu3O7 использовались пластины двух или другие планарные и топологически близкие микро- типов, различающихся значением параметра рассогласодефекты, пересекающие CuO плоскость. К подобным вания решеток = 2(a1 - a2)/(a1 + a2), где a1, a2 — планарным дефектам относятся одиночные дислокации параметры элементарной ячейки для материала подложи их скопления, угловые и двойниковые границы, вблизи ки и пленки соответственно. Первоскитные подложки которых энергия активации диффузии атомов кислорода алюмината лантана LaAlO3 и галлата неодима NdGaOне превышает 0.5 eV. обладают = 1.0-2.0%, а подложка другого типа — Таким образом, на основании проведенного модели- оксид магния MgO отличается сильным структурным рования, можно сделать выводы о целесообразности рассогласованием ( 9%).

специального контроля за наличием двухмерных (пла- Для анализа структуры применялась диагностика комнарных) микродефектов в пленках; применения техноло- бинационного рассеяния света [18,19]. Спектры возгических операций, преобразующих планарные дефекты буждались Ar+ лазером и измерялись спектрометром, в поверхностные трехмерные или катионные дефекты; созданным на базе двойного монохроматора. Для опреобеспечения избыточного давления кислорода в процес- деления содержания компонентов использовался микросе термообработки пленок YBa2Cu3O7 с целью пода- анализатор ”Camebax” и метод рентгено-спектрального вления потока кислорода, покидающего пленку вблизи анализа [21] по интенсивности линий YIa, BaLa, CuKa, планарных дефектов. CuLa и OKa. Наблюдения морфологии поверхности пленок проводились в электронном микроскопе типа ”CamScan”.

Технология выращивания и диагностика пленок YBa2Cu3OСтруктура и морфология пленок Пленки YBa2Cu3O7 выращивались в in situ процессе YBa2Cu3Oмагнетронного распыления керамической мишени диаметром 90 mm [18–20]. Давление смеси газов Ar+O2 Известно, что c-ориентированная структура является при соотношении парциальных давлений 1 : 1 варьи- метастабильной фазой соединения YBa2Cu3O7 [20,22].

ровалось в диапазоне p = 40-80 Pa. Область однород- Образование блоков альтернативной c -ориентации приного осаждения пленок в указанном режиме составляла водит к формированию межблочных границ, ”сбою” 50 mm в диаметре. В работе исследовались пленки, ориентированного механизма роста и ухудшению хаполученные в двух типовых технологических процессах. рактеристик пленок. Низкая плотность потока атомовВ первом из них [18] выращивались пленки при скорости компонентов и повышенная температура способствуют роста Vg = 1.0-1.5 nm/min, при этом технологический усилению поверхностной диффузии и препятствуют форрежим не изменялся в период осаждения. мированию зародышей конкурирующей фазы.

Проведенные экспериментальные и модельные иссле- На структурно-согласованных перовскитных подлождования [3,18–21] привели к выводу о необходимости ках, начиная с толщины около трех c-монослоев, на5 Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 66 С.Ф. Карманенко, А.А. Семенов, В.Н. Леонов, А.В. Бобыль, А.И. Дедоборец, А.В. Лунев...

блюдается послойный рост (механизм Франка–ван-дерМерве) [23]. На подложках MgO проявляются трехмерные зародыши, спиральный рост островков и последующая коалесценция с полным покрытием поверхности при толщине более 10c-монослоев [24]. Для стабилизации сверхпроводящей ортофазы на подложках с малым параметром могут служить катионные и планарные дефекты. Как показали термодинамические оценки [26], для применяемых режимов выращивания не существует условий образования равновесной фазы (123), но вероятны механизмы стабилизации перовскитного соединения.

Анализ равновесия в системе YO1.5–CuO–BaO с применением методов геометрической термодинамики [25] позволил оценить потенциал Гиббса G фазы (123), который необходимо понизить с помощью неравновесных дефектов на величину не менее чем 50 kJ/g/atom, т. е. на 20–25%. Одним из вероятных механизмов катионного дефектообразования является формирование дефектной ортофазы с предполагаемым составом 235 [26]. Предположение основано на исследованиях катионного состава структур YBa2Cu3O7/LaAlO3, установивших, что пленки, обладающие наиболее высокими параметрами, отличаются слабым дефицитом бария и меди. Данный вывод согласуется с исследованиями структур YBa2Cu3O7/LaAlO3, проведенными в работе [27]. Дефицит бария и меди в пленках YBa2Cu3Oможет обеспечиваться ”on axis” режимом осаждения при давлении рабочего газа 30–40 Pa. На подложки, расположенные в прямой проекции зоны эрозии мишени, воздействует плазма тлеющего разряда, способствующая слабому дефициту компонента, наиболее подверженного рераспылению, — бария [28]. Избыточные атомы иттрия могут занимать позиции бария и образовывать дефекты замещения типа YBa, которые способствуют стабилизации c-ориентированной фазы. Рис. 4. Поверхности пленок YBa2Cu3O7 различной толщины, выращенных на подложках LaAlO3.

На рис. 4 приведены поверхности пленок YBa2Cu3Oразной толщины, выращенных на подложках LaAlO3.

Рис. 4, a показывает сравнительно гладкую морфологию, которую проявляет пленка толщиной 600 nm. На поблочные пирамиды. На рис. 4, c приведена поверхность верхности присутствуют отдельные светлые кристаллипленки YBa2Cu3O7 большой толщины 1.6 µm, которая ты (предположительно BaCuO2), которые появляются на имеет форму сросшихся пирамидальных микроблоков.

поверхности при толщине пленки YBa2Cu3O7 500 nm.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.