Характеристики Джозефсонових контактів Nb/Al/AlO$_{x}$/Nb, сформованих за спрощеною методикою

А. О. Каленюк$^{1,2}$, А. П. Шаповалов$^{1,2}$

$^{1}$Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна
$^{2}$Київський академічний університет НАН та МОН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна

Отримано: 17.02.2022; остаточний варіант - 11.08.2022. Завантажити: PDF

Джозефсонові переходи широко застосовуються у якості головного елементу різних чутливих приладів, наприклад, у СКВІДах, кубітах, у цифрових надпровідних елементах. Тому розробка технології масового виготовлення таких переходів є актуальною проблемою сучасної мікроелектроніки. Головними вимогами до технології є простота її реалізації, повторюваність та стабільність характеристик переходів. В роботі представлено дві спрощені та наближені до стандартної напівпровідникової КМОН технології виготовлення плівкових ніобійових Джозефсонових переходів з діелектричним прошарком з оксиду алюмінію, які здійснені без використання дорогих прецизійних за глибиною щавлення. Показана можливість формування якісного переходу навіть з порушенням вакууму між осадженнями першого шару ніобію і наступного шару алюмінію. Знайдено, що застосування додаткового шару ізолятору SiO$_{2}$ з вікном у точці контакту виключає пряме протікання струму між верхньою та нижньою ніобійовою електродою на краях переходу і тим саме дає змогу повністю виключити трудомісткий процес анодування краю. Виявлені Шапірові сходинки на вольт-амперних характеристиках та придушення критичного струму невеликим паралельним до площини контактів магнетним полем 7 мТл підтверджують високу якість виготовлених Джозефсонових переходів. Одержані температурні залежності величини енергетичної щілини добре узгоджуються з моделем БКШ, що вказує на формування класичного $SIS$-контакту. Одержано також температурні залежності критичного струму та опору переходів, з яких випливає неоднакова критична температура верхньої та нижньої електроди, що пояснюється значною різницею в їх товщині. За допомогою проведених вимірів виконано розрахунки величини параметра Маккамбера–Стюарта, ємности, нормального опору та товщини діелектричного прошарку контакту. Розроблені технології можуть бути застосовані для масового виготовлення $SIS$-Джозефсонових переходів з метою застосувань їх у сучасній мікроелектроніці.

Ключові слова: Джозефсонів перехід, теорія БКШ, Шапірові сходинки, ніобій, енергетична щілина.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ua/abstract/v44/i10/1239.html

PACS: 73.50.-h, 74.25.fc, 74.25.Ha, 74.50.+r, 74.55.+v, 85.25.Cp


ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  1. S. K. Tolpygo, Low Temp. Phys., 42, No. 5: 361 (2016). Crossref
  2. S. B. Desai, S. R. Madhvapathy, A. B. Sachid, J. P. Llinas, Q. Wang, G. H. Ahn, G. Pitner, M. Kim, J. Bokor, C. Hu, A. Javey, H. S. Wong, and A. Javey, Science, 354, No. 6308: 99 (2016). Crossref
  3. M. Ito, K. Kawasaki, N. Yoshikawa, A. Fujimaki, H. Terai, and S. Yorozu, IEEE Trans. Appl. Supercond., 15, No. 2: 255 (2005). Crossref
  4. A. M. Klushin, J. Lesueur, Marian Kampik, F. Raso, A. Sosso, S. Khorshev, N. Bergeal, F. Couedo, Ch. Feuillet-Palma, P. Durandetto, Michał Grzenik, Krzysztof Kubiczek, Krzysztof Musioł, and Artur Skórkowski, IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 23, No. 2: 4 (2020). Crossref
  5. R. Cattaneo, E. A. Borodianskyi, A. A. Kalenyuk, and V. M. Krasnov, Phys. Rev. Applied, 16, No. 6: L061001 (2021). Crossref
  6. Mikhail M. Krasnov, Natalia D. Novikova, Roger Cattaneo, Alexey A. Kalenyuk, and Vladimir M. Krasnov, Beilstein Journal of Nanotechnology, 12: 1392 (2021). Crossref
  7. Taras Golod, Razmik A. Hovhannisyan, Olena M. Kapran, Vyacheslav V. Dremov, Vasily S. Stolyarov, and Vladimir M. Krasnov, Nano Letters, 21, No. 12: 5240 (2021). Crossref
  8. F. Arute, K. Arya, R. Babbush, Dave Bacon, Joseph C. Bardin, Rami Barends, Rupak Biswas, Sergio Boixo, Fernando G. S. L. Brandao, David A. Buell, Brian Burkett, Yu Chen, Zijun Chen, Ben Chiaro, Roberto Collins, William Courtney, Andrew Dunsworth, Edward Farhi, Brooks Foxen, Austin Fowler, Craig Gidney, Marissa Giustina, Rob Graff, Keith Guerin, Steve Habegger, Matthew P. Harrigan, Michael J. Hartmann, Alan Ho, Markus Hoffmann, Trent Huang, Travis S. Humble, Sergei V. Isakov, Evan Jeffrey, Zhang Jiang, Dvir Kafri, Kostyantyn Kechedzhi, Julian Kelly, Paul V. Klimov, Sergey Knysh, Alexander Korotkov, Fedor Kostritsa, David Landhuis, Mike Lindmark, Erik Lucero, Dmitry Lyakh, Salvatore Mandrà, Jarrod R. McClean, Matthew McEwen, Anthony Megrant, Xiao Mi, Kristel Michielsen, Masoud Mohseni, Josh Mutus, Ofer Naaman, Matthew Neeley, Charles Neill, Murphy Yuezhen Niu, Eric Ostby, Andre Petukhov, John C. Platt, Chris Quintana, Eleanor G. Rieffel, Pedram Roushan, Nicholas C. Rubin, Daniel Sank, Kevin J. Satzinger, Vadim Smelyanskiy, Kevin J. Sung, Matthew D. Trevithick, Amit Vainsencher, Benjamin Villalonga, Theodore White, Z. Jamie Yao, Ping Yeh, Adam Zalcman, Hartmut Neven, and John M. Martinis, Nature, 574: 505 (2019). Crossref
  9. A. A. Kalenyuk, E. A. Borodianskyi, A. A. Kordyuk, and V. M. Krasnov, Phys. Rev. B, 103, No. 21: 214507 (2021). Crossref
  10. M. Hidaka, S. Nagasawa, K. Hinode, and T. Satoh, IEEE Trans. Appl. Supercond., 23, No. 3: 1100906 (2013). Crossref
  11. M. Gurvitch, M. A. Washingoton, and H. A. Huggins, Appl. Phys. Lett., 42, No. 5: 472 (1983). Crossref
  12. A. Kalenyuk, A. Shapovalov, V. Shnyrkov, V. Shaternik, M. Belogolovskii, P. Febvre, F. Schmidl, and P. Seidel, J. Phys.: Conference Series, 1559, No. 1: 012005 (2019). Crossref
  13. A. A. Kalenyuk, T. Golod, A. P. Shapovalov, A. L. Kasatkin, and S. I. Futimsky, 2020 IEEE Ukrainian Microwave Week (UkrMW), 743 (2020). Crossref
  14. A. A. Kalenyuk, A. Pagliero, E. A. Borodianskyi, S. Aswartham, S. Wurmehl, B. Büchner, D. A. Chareev, A. A. Kordyuk, and V. M. Krasnov, Phys. Rev. B, 96, No.13: 134512 (2017). Crossref
  15. A. Zeinali, T. Golod, and V. M. Krasnov, Phys. Rev. B, 94, No.21: 214506 (2016). Crossref
  16. K. K. Likharev, Dynamics of Josephson Junctions and Circuits (New York: Gordon and Breach Science Publishers: 1986). ISBN: 2881240429 9782881240423
  17. M. Belogolovskii, E. Zhitlukhina, V. Lacquaniti, N. De Leo, M. Fretto, and A. Sosso, Low Temp. Phys., 43, No. 7: 756 (2017). Crossref
  18. A. I. Braginski, J. Supercond. Nov. Magn., 32, No. 1: 23 (2019). Crossref