Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание инновационной технологии получения новых сверхпроводниковых наноматериалов с конкурентоспособными параметрами для изготовления чиповых криогенных устройств различного функционального назначения.

Номер контракта: 14.607.21.0005

Руководитель: Гурович Борис Аронович

Должность: Заместитель руководителя Комплекса по реакторным материалам и технологиям

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
сверхпроводящий функциональный наноматериал, пассивные наноэлементы, активные элементы, разрешение количества фотонов, однофотонный детектор, нанопровод, радиационные нанотехнологии.

Цель проекта:
1.Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект. Задачей, на решение которой направлен проект, является разработка новой радиационной технологии изготовления функциональных наноэлементов на основе сверхпроводящих наноматериалов для создания криоэлектронных устройств различного назначения Создание инновационной технологии получения наноматериалов для изготовления чиповых криогенных устройств (пассивных и активных) различного назначения за счет управляемой модификации свойств наноматериалов под действием ионных пучков. 2.Формулировка цели реализуемого проекта. Разработка инновационной технологии изготовления функциональных сверхпроводниковых наноэлементов: пассивных (резисторов, конденсаторов, элементов индуктивности и сборок на их основе) и активных (джозефсоновских переходов, управляемых полосовых СВЧ-фильтров, однофотонных детекторов с разрешением числа фотонов в коротких оптических импульсах), отличающейся от традиционных сверхпроводниковых технологий повышенными производительностью (не менее, чем в 4 раза), выходом годного (не менее, чем в 3-4 раза, достигающим 90%), а также пониженным числом технологических операций (не менее, чем в 2-3 раза), при обеспечении требуемых служебных параметров создаваемых пассивных и активных наноэлементов

Основные планируемые результаты проекта:
1.Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).

При выполнении ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1. Лабораторный технологический регламент изготовления экспериментальных образцов тонкопленочных наноматериалов в качестве основы для пассивных и активных наноэлементов.
2. Экспериментальные образцы функциональных тонкопленочных наноматериалов в качестве основы для пассивных и активных наноэлементов.
3. Лабораторный технологический регламент изготовления экспериментальных образцов функциональных наноэлементов: пассивных (резисторов, конденсаторов, индуктивностей и сборок на их основе) и активных (джозефсоновских переходов, управляемых полосовых СВЧ-фильтров, и однофотонных детекторов с разрешением числа фотонов в коротких оптических импульсах).
4. Экспериментальные образцы функциональных пассивных (резисторов, конденсаторов, индуктивностей и сборок на их основе) и активных (джозефсоновских переходов, управляемых полосовых СВЧ-фильтров, и однофотонных детекторов с разрешением числа фотонов в коротких оптических импульсах)наноэлементов.
5. Эскизная конструкторская документация (ЭКД) на стенд для поверки и тестирования электрофизических и оптических свойств исследуемых функциональных пассивных и активных наноэлементов при криогенных температурах.
6. Стенд для поверки и тестирования электрофизических и оптических свойств исследуемых функциональных пассивных и активных наноэлементов при криогенных температурах.
7. Проект технического задания на проведение ОКР «Разработка и создание сверхпроводникового детектора с интегрированными пассивными и активными элементами на одном чипе».
8. Подача двух заявок на РИД по теме проекта.

2.Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), научной (научно-технической, инновационной) продукции.

Будут получены:
-тонкопленочные наноматериалы в качестве основы для пассивных и активных наноэлементов с Тс≥11 K, jc > 5 MА/см2;
-экспериментальные образцы функциональных наноэлементов:
-пассивных: резисторов с R=1Ом-1 Мом; конденсаторов с C=0,1пФ-5нФ; индуктивностей с L=1 нГн - 5 мкГн;
-активных наноэлементов: джозефсоновских переходов с jc > 3 кА/см2, управляемых полосовых СВЧ-фильтров в диапазоне частот 10 МГц-15ГГц; однофотонных детекторов с разрешением числа фотонов (4-12) в коротких оптических импульсах.
-Технология изготовления функциональных сверхпроводниковых наноэлементов для нужд криоэлектроники с выходом годного ≥90%, числом операций ≤15.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1.Описание конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы.

В рамках проекта предполагается разработка инновационной технологии с использованием совокупности методов, приводящих к формированию функциональных наноэлементов на одном чипе в едином технологическом процессе для изготовления следующих активных сверхпроводящих функциональных устройств:
-Одиночные джозефсоновские переходы и простые устройства на их основе с интегрированными пассивными элементами в схемах смещения и управления.
-Однофотонные детекторы нового поколения с разрешением числа фотонов в коротких световых импульсах, предназначенный для детектирования слабых оптических сигналов на уровне однофотонного разрешения и ориентированный на работу в широком спектральном диапазоне с высокими техническими характеристиками.
-Широкополосные полосовые перестраиваемые СВЧ-фильтр на сосредоточенных элементах (интегрированные пассивные наноэлементы).

2.Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик.

Впервые используются радиационные методы направленного изменения химического состава тонкопленочных сверхпроводящих материалов под действием ионного облучения для достижения требуемых служебных характеристик изделий. Данная разработка не имеет зарубежных аналогов, в связи с чем отличается новизной используемых научных методик.

3.Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.

В настоящее время при создании пассивных и активных наноэлементов используются следующие конкурирующие методы послойного напыления, взрывной литографии, молекулярно-лучевой эпитаксии, и т.п., которые характеризуются большим числом технологических операций, трудностями с совмещением функциональных элементов, лежащих в различных слоях, использованием мокрой химии, проблемами, возникающими на межфазной границе функциональный элемент- матрица, невысоким выходом годного.

Предлагаемая российская технология позволяет получать пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и элементы индуктивности) в широком интервале значений служебных характеристик (без ограничения номинала) с выходом годного 90% за меньшее число технологических операций (менее 15) по сравнению с другими методиками. При этом создаваемые функциональные наноэлементы криогенных устройств обладают комплексом свойств на уровне лучших мировых стандартов и выше. Получаемые таким методом активные элементы (сверхпроводниковые однофотонные детекторы с разрешением количества фотонов в коротких световых импульсах, джозефсоновские переходы и сборки на их основе, перестраиваемые широкополосные фильтры) могут быть сформированы (вследствие параллельности процесса изготовления) в одном функциональном слое чипа и в едином технологическом процессе. При этом служебные характеристики активных элементов являются конкурентоспособными по сравнению с аналогами, полученными традиционными технологиями, с большим выходом годного и большей производительностью (более, чем в 5 раз).



4.Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.

Основными способами создания технологии изготовления различных функциональных криогенных элементов с использованием радиационных методов являются: проведение экспериментальных работ по направленному радиационно-индуцированному изменению атомного состава тонкопленочных сверхпроводящих материалов для реализации требуемых функциональных характеристик после модификации; изготовление базовых пассивных и активных функциональных элементов радиационными методами в рамках единого технологического подхода (сопротивления, емкости, индуктивности); создание криогенных функциональных устройств на основе изготовленных базовых элементов (однофотонных детекторов с разрешением числа фотонов, фильтров различного назначения).

Основными рисками обусловлена тем, что, при заинтересованности в результатах работ в данном направлении, отечественные производители не готовы быть первопроходцами в промышленной реализации новой технологии.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1.Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники, отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться результат или планируемая на их основе инновационная продукция).

Созданные пассивные и активные сверхпроводниковые наноэлементы предназначены для использования в областях: биомедицина, телекоммуникации, криоэлектроника.

2.Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.

Основной ожидаемый эффект состоит в существенном снижении себестоимости производимой продукции, что обусловлено использованием одного исходного материала и одного технологического метода для создания всех необходимых функциональных элементов и сложных устройств на их основе в едином технологическом процессе. Это открывает большие конкурентные преимущества по сравнению с существующими технологиями за счёт предельного сокращения материальных и трудовых затрат, поскольку аналогичных технологий не существует.

3.Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы.

Создание оригинальной отечественной технологии изготовления криогенных устройств с использованием ионного облучения может послужить основой для развития существующих и будущих технологических направлений за счет улучшения служебных характеристик функциональных наноэлементов, уменьшения числа технологических операций и повышения выхода годного.

4.Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры.

Создание технологии позволит обеспечить базу для осуществления качественного прорыва в современной криоэлектронике, сделать ее конкурентоспособной на мировом рынке, а также снизить экологическую нагрузку на окружающую среду за счет исключения из технологического цикла использования вредных реагентов.

Предполагается использование результатов проекта при создании, в основном, российской элементной базы для микро- и нанотехнологий. Однако для популяризации результатов работ систематически представляются доклады на международных конференциях, вызывающие повышенный интерес у иностранных коллег.


Текущие результаты проекта:
Разработан метод создания и изготовлены экспериментальные образцы тонкопленочного сверхпроводникового материала NbN с уровнем свойств: критическая температура перехода 12-13 К; плотность критического тока в сверхпроводящем состоянии 10-12 МА/см2.
Разработана оптимизированная технология изготовления пассивных наноэлементов, что позволяет изготавливать пассивные наноэлементы с требуемым уровнем свойств, высоким выходом годного (83-95%) и существенно сниженным числом технологических операций (~ в 3 раза по сравнению с аналогами) при изготовлении активных функциональных наноэлементов.
Изготовлены экспериментальные партии образцов пассивных (нанорезисторов, наноконденсаторов и наноиндуктивностей) и активных (однофотонного детектора, планарного джозефсоновского перехода, полосового СВЧ-фильтра высоких частот) функциональных наноэлементов и измерены их электрофизические и оптические характеристики.

Электрофизические параметры пассивных наноэлементов: для нанорезисторов получены номинальные значения в диапазоне от 1 до 1000000 Ом, для наноконденсаторов получены номинальные значения электроемкости в диапазоне от 0,01 пФ до 7 нФ; для элементов наноиндуктивностей получены номинальные значения индуктивности в диапазоне от 1 до 5000 нГн; разброс параметров номиналов составил: для нанорезисторов - 10%, для наноконденсаторов - 4% и наноэлементов индуктивности - 7%.

Измерения электрофизических свойств экспериментальной партии образцов активных наноэлементов, созданных под действием ионного облучения, установили: для однофотонного детектора в топологии с четырьмя секциями с разрешением числа фотонов: критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние составляет ~(9-12)К; плотность критического тока – (8-14)МА/см2; электрическое сопротивление токоограничительного резистора – ~50 Ом.; оптические свойства однофотонного детектора: квантовая эффективность на длине волны 1,3 мкм составила 13%; мертвое время детектора - 3 нс; джиттер детектора - 27 пс; скорость темнового счета детектора в рабочей точке - менее 100 Гц. Для полосового СВЧ-фильтра высоких частот: плотность критического тока тоководов и сверхпроводящих планарных линий - (9-14) МА/см2;- рабочая температура - 4,2 К; время охлаждения - 75 мин; для планарного джозефсоновского перехода: плотность критического тока более 0.075 МА/см2; емкость перехода ~1 пФ; высокая стабильность свойств джозефсоновского перехода: изменение характеристик за период 6 месяцев - не более 7%.

Проведенное моделирование процессов согласования пассивных наноэлементов с активными показало, что использование совокупности радиационных методов уже при изготовлении наноэлементов формирует идеальное согласование за счет отсутствия резкой границы раздела наноэлементов в результате радиационного перемешивания атомов. Структурные исследования методами ПЭМ и РФЭС показали: нанорезисторы имеют поликристаллическую структуру NbNO с размером зерна ~5 нм; наноконденсаторы - аморфную структуру со стехиометрическим составом Nb2O5 и толщиной ~10 нм; наноидуктивности - объекты различной топологии из поликристаллического NbN с размером зерна ~5 нм.

Выполнена доработка и оптимизация составных частей пассивных и активных функциональных наноэлементов с целью улучшения их служебных характеристик в сборке.