Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0005

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0005
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Название доклада
Создание инновационной технологии получения новых сверхпроводниковых наноматериалов с конкурентоспособными параметрами для изготовления чиповых криогенных устройств различного функционального назначения.
Докладчик
Гурович Борис Аронович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Задачей, на решение которой направлен реализуемый проект, является разработка новой радиационной технологии изготовления функциональных наноэлементов на основе сверхпроводящих наноматериалов для создания криоэлектронных устройств (пассивных и активных) различного назначения за счет управляемой модификации свойств наноматериалов под действием ионных пучков.
Целью реализуемого проекта является разработка инновационной технологии изготовления функциональных сверхпроводниковых наноэлементов: пассивных (резисторов, конденсаторов, элементов индуктивности) 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, превосходящего 90%), а также пониженным числом технологических операций (не менее, чем в 2-3 раза) при обеспечении требуемых служебных параметров создаваемых пассивных и активных наноэлементов.
Актуальность и новизна исследования
Разработанная технология производства оригинальна и уникальна по нескольким параметрам: повышает выход годных наноэлементов (в среднем до ~ 90%); повышает производительность труда за счет сокращения числа технологических элементов (~ в 3 раза); позволяет создавать пассивные и активные наноэлементы в едином технологическом процессе; позволяет, меняя дозу облучения и состав ускоренных частиц, создавать материалы с типом электрической проводимости от сверхпроводников до металлов и диэлектриков.
Описание исследования

В работе использовался радиационный метод направленного преобразования атомного состава и свойств тонкопленочных веществ под действием облучения ускоренными частицами (ионами). Этот метод позволил контролируемым образом изменять атомный состав сверхпроводящего тонкопленочного нитрида ниобия путем его облучения через маску, что инициировало преобразование исходного сверхпроводника в металл или диэлектрик. В работе использовался метод Селективного Замещения Атомов (СЗА). Данный метод изменения атомного состава позволяет контролируемым образом создавать внутри тонкопленочных материалов области с радикально измененным химическим составом и свойствами за счет замены атомов азота, входящих в состав исходного соединения, на атомы кислорода, привносимые ионным пучком. К достоинствам данного метода можно отнести: возможность создания элементов требуемых форм и размеров (с минимальными размерами ~3-10 нм), высокую производительность процесса, возможность параллельного (одновременного) преобразования локального состава и свойств в нескольких слоях многослойных тонкопленочных структур, что обеспечивает совмещение элементов в различных слоях многослойной структуры на уровне нескольких нанометров.

Для изготовления криогенных сопротивлений использовалось облучение нитрида ниобия через маску смешанными ионными пучками для  преобразования материала оксинитрид ниобия NbNO, проявляющий металлические свойства при криогенных температурах. Номинал сопротивлений регулировался путем выбора соответствующей топологии преобразуемого участка пленки. 

Для изготовления криогенных конденсаторов использовалось облучение ионами кислорода, которое приводило к полной замене атомов азота в нитриде ниобия на атомы кислорода и формированию высококачественного диэлектрика Nb2O5. Номинал емкостей конденсаторов регулировался изменением площади сформированного диэлектрика и геометрией контактов, соединяющих диэлектрик и сверхпроводящий токовод. 

Для изготовления криогенных элементов индуктивности использовались сверхпроводящие тоководы заданной ширины. Кинетическая индуктивность регулировалась путем изменения суммарной длины сверхпроводящих тоководов.   

Активные элементы (фильтры, однофотонные детекторы) были изготовлены из отдельных пассивных элементов - криогенных сопротивлений, конденсаторов и элементов индуктивности. Также был изготовлены активные криогенные элементы на основе планарных джозефсоновских переходов, сформированных путем облучения тонкопленочного нитрида ниобия через маску в виде узкой щели для создания туннельного барьера между двумя сверхпроводящими берегами токовода.   

Результаты исследования
  1. Разработан метод и изготовлены экспериментальные образцы тонкопленочного сверхпроводникового NbN с критической температурой перехода 12.0-13.0 К. Оптимизирована технология изготовления пассивных и активных наноэлементов для наиболее эффективного их совместного интегрирования на одном чипе в составе активных нанаоэлементов. Оптимизированная доза облучения -4,5 сна; угол падения ионного пучка 15о, толщина резистивной маски 240 нм, что позволило: повысить устойчивость маски к облучению; уменьшить ее уширение ~ в 4 раза; увеличен размер тоководов до 350 нм, для создания все пассивные элементы устройств на одном чипе.
  2. Оптимизированы топологии экспериментальной партии образцов активных наноэлементов: джозефсоновского перехода для уменьшения частотных характеристик и емкости, полосовых СВЧ фильтров для улучшения высокочастотные характеристик, интегрированных детекторов для повышения квантовой эффективности, что позволило повысить выход годного экспериментальных пассивных наноэлементов до (91-99)% при уменьшении технологических операций.
  3. Измеренные с помощью экспериментального стенда электрофизические параметры пассивных наноэлементов: для нанорезисторов получены номинальные значения в диапазоне 1Ом до 1 МОм, для наноконденсаторов -значения емкости в диапазоне от 0,1 пФ - 5 нФ; для элементов наноиндуктивностей - в диапазоне 1 нГн – 5 мкГн. Свойства экспериментальных образцов активных наноэлементов: для однофотонного детектора: электрофизические свойства: Тс ~9-12 К; плотность критического тока – 8-14 МА/см2; электрическое сопротивление ~60 Ом; оптические свойства: квантовая эффективность на длине волны 1.3 мкм - 23%; мертвое время детектора – 0,65 нс; джиттер детектора - 25 пс; скорость темнового счета детектора в рабочей точке - менее 100 с-1; 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 95 кА/см2; емкость перехода ~1 пФ. 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 с составом Nb2O5 и толщиной ~10 нм;  наноидуктивности - объекты различной топологии из поликристаллического NbN с размером зерна ~5 нм. При оптимизации методики криостатирования образцов в машине замкнутого цикла были добавлены операции, снижающие температуру за счет введения дополнительных радиационных экранов;  “холодных” оптических фильтров дополнительных тепловых развязок на DC трактах и  дополнительной термометрии. Изготовлен стенд для проведения поверочных и исследовательских работ нанообьектов  в широком температурном диапазоне 4,2 К – 320 К на основе машины замкнутого цикла. 
  4. Получен патент «Способ изготовления сверхпроводящих многосекционных оптических детекторов» № 2581405 от 05.02.2015 г. Подана заявка «Способ изготовления сверхпроводникового однофотонного детектора».

 

Практическая значимость исследования
Назначение и область применения результатов проекта
В ходе проведения маркетинговых исследований показано, что количественные и качественные достижения развиваемой технологии, позволяющей формировать из пассивных и активных элементов сложные сверхпроводниковые схемы и устройства с высокими рабочими характеристиками готовых приборов, а также надежность их работы дает все основания ожидать востребованность предлагаемого подхода в быстро прогрессирующих областях (в первую очередь – медицинских) новой криогенной сверхпроводниковой электроники.
Эффекты от внедрения результатов проекта
Основной ожидаемый эффект – существенное снижение себестоимости продукции, что обусловлено использованием одного исходного материала и одного технологического метода для создания всех функциональных элементов и сложных устройств в едином технологическом процессе. Это открывает большие конкурентные преимущества за счёт предельного сокращения материальных и трудовых затрат, поскольку аналогичных технологий не существует.