Способ перевода сверхпроводника в элементах логики наноразмерных электронных устройств из сверхпроводящего состояния в нормальное

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании функциональных переключаемых электронных устройств различного назначения, в том числе, для применения в процессорах с высокой плотностью функциональных элементов на основе сверхпроводящих нанопроводов с управлением, осуществляемым без гальванической связи.

Как известно, работа сверхпроводящих коммутаторов (СПК), основана на переводе токонесущего элемента из сверхпроводящего состояния в нормальное. При этом перевод осуществляется превышением одного из критических параметров сверхпроводящего токонесущего элемента (температуры, плотности тока, напряженности магнитного поля) или некоторой совокупности их.

Известен способ перевода сверхпроводящего ключа в нормальное состояние путем воздействия на него внешним магнитным полем, который предусматривает для увеличения эффективности перевода в нормальное состояние, одновременно с включением внешнего магнитного поля скачком увеличивают индуктивность сверхпроводящего ключа и наводят в нем ток, величина которого меньше критического значения, затем при постоянной величине индукции внешнего магнитного поля скачком уменьшают индуктивность сверхпроводящего ключа и одновременно скачком увеличивают до критического значения наведенный в ключе ток (RU 1623511 [1]). Недостатком является сложность реализации и ограниченность применения, заключающаяся в том, что он не может быть реализован в устройствах микроэлектроники. Известен способ перевода сверхпроводника в электронных устройствах из сверхпроводящего состояния в нормальное путем его локального нагрева CN 104579280 [2] с использованием нагревательных стержней, окружающих переводимый в нормальное состояние сверхпроводник. Недостатком известного способа является достаточно длительный период возврата нагретого сверхпроводника из нормального состояние в сверхпроводящего. Кроме того, данный способ применим только для макрообъектов.

Известен способ перевода сверхпроводника в электронных устройствах из сверхпроводящего состояния в нормальное путем его локального нагрева JP 2013016664 [3] с использованием нагревательных элементов в виде меандра из фольги. Из-за ее малой теплоемкости и относительно большой площади обеспечивается как быстрый нагрев, так и быстрое охлаждение, что облегчает обратный перевод сверхпроводника из нормального состояние в сверхпроводящего. Этого достаточно для обеспечения работы тех аппаратов (МРТ), для которых этот способ используется в средствах аварийного отключения, но не применим в элементах логики, где требуется высокое быстродействие. Кроме того, данный способ применим только для макрообъектов.

Известен способ перевода сверхпроводника в электронных устройствах из сверхпроводящего состояния в нормальное путем увеличения суммарного проходящего по нему тока до значений, превышающих величину критического (US 2015045228 [4]). Это достигается тем, что в дополнение к уже протекающему по сверхпроводнику току создается наведенный индукционный ток путем подачи тока управления на индукционную катушку, сформированную на поверхности сверхпроводника. Суперпозиция индуктивных токов и напряжения постоянного тока превышает критическую плотность тока материала сверхпроводника, который инициирует переход в нормальное состояние. Недостатками используемого метода является его неприменимость для микро и наноустройств с высокой плотностью функциональных элементов (например, процессоров) на основе сверхпроводников в связи с тем, что магнитное поле от используемой RF катушки захватывает большую площадь и объем существенно превышающие размеры функциональных элементов, что будет неизбежно вызывать ложные срабатывания многочисленных соседних, по отношению к управляемому, элементу.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является используемый в микроэлектронике (для использования в логических элементах и цифровых схемах) способ перевода сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное известный из US 5831278 [5]. Объектом управления является джозефсоновский переход, при этом между джозефсоновским переходом и линией управления должен быть изолирующий слой. Толщина этого слоя должна быть такой, чтобы линия управления была электрически изолирована от джозефсоновского перехода, но обеспечивала магнитную связь. Способ заключается в изменении величины тока до критического путем добавления индуцированной составляющей за счет прохождения тока по линии управления.

Соединение может быть возвращено в его сверхпроводящее состояние путем снятия управляющего тока, тем самым исключая магнитное поле, которое индуцируется за счет тока контроля и восстановления критического тока перехода к своему прежнему значению. К недостаткам данного способа можно отнести, во-первых, то, что таким способом можно управлять током через джозефсоновский переход, в то время как для управления сверхпроводимостью сверхпроводников, не содержащих джозефсоновские переходы, требует существенно больших магнитных полей, которые не могут быть созданы таким способом (в предлагаемом нами способе не используются магнитные поля, в том числе индуцированные управляющими токами, а управление осуществляется над сверхпроводящими нанопроводами, не содержащими джозефсоновских переходов). Во-вторых, размеры областей, охватываемые магнитным полем всегда существенно превышают размеры источников магнитного поля, что создает препятствия для формирования высокоплотных функциональных элементов на основе джозефсоновских переходов и их совокупностей (например, для процессоров) которые исключают ложные срабатывания при таком способе управления.

Заявляемый способ перевода сверхпроводника в электронных функциональных наноразмерных устройствах из сверхпроводящего состояния в нормальное направлен на обеспечение возможности создания высокоплотных функциональных наноустройств на основе сверхпроводящих нанопроводов.

Указанный результат достигается тем, что способ перевода сверхпроводника в электронных функциональных наноразмерных устройствах из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется путем его локального нагрева. При этом для нагрева используют тепловыделяющий элемент в виде сверхпроводящего нанопровода гальванически не связанного с подвергаемым воздействию сверхпроводящим нанопроводом и расположенного с наноразмерным зазором рядом с нагреваемым отрезком сверхпроводника с пропусканием через тепловыделяющий элемент тока, превышающего величину тока перехода сверхпроводника в нормальное состояние. При этом соблюдают условие, что величина тока, пропускаемого по переводимому в нормальное состояние сверхпроводнику не превышает величины тока его возврата из нормального состояния в сверхпроводящее, определяемой по вольтамперной характеристике сверхпроводника, полученной без внешних воздействий на сверхпроводник.

Указанный результат достигается также тем, что для нагрева используют тепловыделяющий элемент в виде сверхпроводника, в котором на ближайшем к управляемому элементу участке формируют резистивную область и пропускают через него ток, обеспечивающий выделение мощности, достаточной для нагрева и перевода управляемого нанопровода в нормальное состояние. При определении величины необходимого для нагрева тока принимают во внимание величину зазора между проводами.

Отличительными признаками заявляемого способа являются: - перевод управляемого сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное осуществляется путем его локального нагрева;

- для нагрева используют тепловыделяющий элемент в виде сверхпроводящего нанопровода гальванически не связанного с подвергаемым воздействию;

- тепловыделяющий элемент расположен с наноразмерным зазором рядом с нагреваемым отрезком сверхпроводника;

- через тепловыделяющий элемент в виде сверхпроводящего нанопровода пропускают ток, превышающий величину тока перехода сверхпроводника в нормальное состояние и обеспечивающего выделение мощности, достаточной для нагрева и перевода управляемого нанопровода в нормальное состояние;

- величина тока, пропускаемого по переводимому в нормальное состояние сверхпроводнику не превышает величины тока его возврата из нормального состояния в сверхпроводящее;

- величина тока, пропускаемого по переводимому в нормальное состояние сверхпроводнику определяется по вольтамперной характеристике сверхпроводника, полученной без внешних воздействий на сверхпроводник;

- для нагрева используют тепловыделяющий элемент в виде сверхпроводника, в котором на ближайшем к управляемому элементу участке формируют резистивную область и пропускают через него ток, обеспечивающий выделение мощности, достаточной для нагрева и перевода управляемого нанопровода, с учетом заданного зазора между ними, в нормальное состояние.

Осуществление перевода сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное путем его локального нагрева по сравнению с формированием индукционных токов в сверхпроводнике, как это предусмотрено в прототипе, для достижения значения критического тока позволяет работать с наноразмерными функциональными устройствами с большой плотностью элементов и исключить ложные (паразитные) срабатывания соседних элементов от тепловыделяющего элемента, управляющего требуемым сверхпроводящим нанопроводом так как минимальная мощность, необходимая для надежного управления, сильно зависит от величины зазора между тепловыделяющим элементом и управляемым сверхпроводящим нанопроводом.

Использование для нагрева тепловыделяющего элемента в виде сверхпроводящего нанопровода, гальванически не связанного с подвергаемым воздействию позволяет избежать необходимость электрического согласования управляющего и управляемых элементов, что особенно важно для многокаскадных функциональных элементов. Кроме того, это позволяет располагать тепловыделяющие элементы как в одном слое с управляемыми сверхпроводниками, так и в разных, что снижает проблемы, связанные с пространственным совмещением элементов, по сравнению со случаем, когда необходимо обеспечить гальваническую связь, кроме того, облегчает создание многослойных устройств, содержащих активные функциональные элементы.

Расположение тепловыделяющего элемента с наноразмерным зазором рядом с нагреваемым отрезком сверхпроводника необходимо для того, чтобы снизить энергозатраты, необходимые для управления (переключения) и повысить достижимую плотность элементов в слое, поскольку это позволяет избежать ложных срабатываний других подобных элементов, расположенных на расстояниях, больших, чем использованное из-за недостатка мощности на управляющем элементе. Кроме того, уменьшение зазора потенциально может способствовать увеличению быстродействия при переключениях управляемых элементов. Через тепловыделяющий элемент в виде сверхпроводящего нанопровода пропускают ток, превышающий величину тока перехода сверхпроводника в нормальное состояние для того, чтобы перевести тепловыделяющий элемент в нормальное состояние и обеспечить на нем тепловыделение при сохранении величины пропускаемого через него тока.

Величина тока, пропускаемого по переводимому в нормальное состояние сверхпроводнику не должна превышать величины тока его возврата из нормального состояния в сверхпроводящее. Соблюдение этого условия позволяет переводимому в нормальное состояние сверхпроводнику вернуться обратно в сверхпроводящее состояние при выключении тока через тепловыделяющий элемент. Для того, чтобы наноразмерный сверхпроводник, переведенный в нормальное состояние за счет тепла, выделяемого тепловыделяющим элементом, мог обратимо переключаться при выключении тока через тепловыделяющий элемент, нужно обеспечить, чтобы по нему протекал малый ток - меньше тока возврата сверхпроводника из нормального состояния обратно в сверхпроводящее - поскольку такой малый ток не в состоянии поддерживать нормальное состояние сверхпроводника без дополнительных внешних воздействий (см. вольт-амперную характеристику на фиг. 3). Поэтому, величину тока, пропускаемого по переводимому в нормальное состояние сверхпроводнику определяют по вольтамперной характеристике сверхпроводника, полученной без внешних воздействий на сверхпроводник.

В частных случаях реализации способа для нагрева используют тепловыделяющий элемент в виде сверхпроводника, в котором на ближайшем к управляемому элементу участке формируют резистивную область и пропускают через него ток, обеспечивающий выделение мощности, достаточной для нагрева и перевода управляемого нанопровода в нормальное состояние. Это обеспечивает локальный нагрев управляемого нанопровода и его переход в нормальное состояние. При этом, поскольку эффективность нагрева сильно зависит от расстояния между тепловыделяющим элементом и управляемым нанопроводом, такой прием позволяет управлять только состоянием заданного нанопровода, находящегося на определенном расстоянии от тепловыделяющего элемента. При этом следует подчеркнуть, что использование резистивной области в тепловыделяющем элементе позволяет минимизировать энергетические затраты для достижения требуемой тепловой мощности, поскольку экспериментально показано, что без интегрированной резистивной области требуется достижения большего тока (мощности) для реализации перехода тепловыделяющего элемента в нормальное состояние.

Сущность предлагаемого способа поясняется примерами реализации и графическими материалами. На фиг. 1 представлена схема элемента электронного устройства, на котором демонстрируется использование способа. На фиг. 2 представлена возможного варианта схемы элемента электронного устройства, на котором применимо использование способа. На фиг. 3 представлена вольтамперной характеристика сверхпроводника, полученная без внешних воздействий на сверхпроводник (Значение тока перехода сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное I₁. Значение тока обратного перехода сверхпроводника из нормального состояния в сверхпроводящее I₂). На фиг. 4 показана экспериментальная зависимость значения минимальной мощности, выделяемой в тепловыделяющем элементе, необходимой для нагрева и перевода управляемого нанопровода в нормальное состояние, от величины тока, протекающего по управляемому нанопроводу (I₂), нормированного на величину тока возврата нанопровода из нормального состояния в сверхпроводящее (I₂^{возврата}), определяемое по вольтамперной характеристике. На фиг. 5 показана экспериментальная зависимость минимальной мощности, необходимой для нагрева и перевода управляемого нанопровода в нормальное состояние, от величины зазора между тепловыделяющим элементом и управляемым нанопроводом для значения величины тока, протекаемого через управляемый нанопровод, равного величине тока возврата нанопровода из нормального состояния в сверхпроводящее

На чертежах обозначено цифрами: 1 - тепловыделяющий элемент (управляющий нанопровод): 2 - управляемый нанопровод; 3 - зазор между проводами 1 и 2; 4 - резистивная область.

Устройство в соответствии со схемами, показанными на фиг. 1 и фиг. 2 формируется на подложке, например, из кремния, покрытого слоем оксида кремния, или другого диэлектрического материала, например, сапфира. Топологию сверхпроводящих элементов формируют на подложке путем стандартного напыления тонкой сверхпроводящей пленки, например, нитрида ниобия, и последующего травления с применением масок, сформированных доступными методами литографии, например, фото- или электронной или наноимпринт-литографии. Обязательной особенностью создаваемой структуры является наличие контролируемого зазора 3 между тепловыделяющим элементом 1 и соседним управляемым нанопроводом 2. После формирования первого слоя (комплекса) функционального устройства для увеличения возможностей устройства (быстродействия, распараллеливания операций и т.п.) на него напыляется диэлектрический слой заданной толщины, например, из оксида алюминия или оксида кремния, на котором посредством выполнения операций, аналогичным операциям, указанным ранее, формируется второй комплекс функциональных устройств. При необходимости, количество таких комплексов, образующих трехмерную многослойную структуру, может быть увеличено. Существенно, что при использовании такого способа управления, не требуется вертикальных межсоединений между различными слоями, содержащими функциональными элементами, что существенно может облегчить изготовление многослойных (трехмерных) процессоров, содержащие активные элементы в различных слоях.

Пример 1. Способ с использованием схемы, представленной на фиг. 1 реализуется следующим образом.

В стартовом состоянии ток через тепловыделяющий элемент 1 (входной сигнал) равен нулю и тепловыделяющий элемент 1 находится в сверхпроводящем состоянии. На управляемый нанопровод 2 подается питающий ток от стабилизатора тока. При этом в управляемом нанопроводе 2 ток I₂ должен быть меньше величины тока его возврата в сверхпроводящее состояние из нормального, определенного на основании измеренной вольт-амперной характеристики (см. фиг. 3). Величина тока в управляемом нанопроводе 2 должна быть либо меньше его тока возврата в сверхпроводящее состояние из нормального (см. фиг. 3), либо незначительно больше его. Однако, в начальный момент времени или в течение заданного времени, по отношению к переднему фронту входного сигнала (току или напряжению, подаваемому на тепловыделяющий элемент), величина тока в управляемом нанопроводе 2 может превышать величину тока его возврата из нормального состояния в сверхпроводящее, определяемую по вольтамперной характеристике сверхпроводника, полученной без внешних воздействий на сверхпроводник. При этом, к моменту снятия входного сигнала ток в управляемом нанопроводе должен быть меньше величины тока возврата из нормального состояния в сверхпроводящее для того, чтобы обеспечить возврат управляемого нанопровода в сверхпроводящее состояние после снятия входного сигнала. Требование к величине стартового тока в управляемом нанопроводе 2 обусловлено несколькими причинами. Во-первых, этот ток не может быть близок к критическому току управляемого нанопровода 2, поскольку при этом возрастает опасность ложного срабатывания второго каскада в отсутствие входного сигнала из-за воздействия шумов или помех. Во-вторых, поскольку обратный ток возврата управляемого нанопровода 2 в сверхпроводящее состояние из нормального меньше прямого тока перехода примерно в пять раз, то незначительные превышения стартового тока управляемого нанопровода 2 над обратным током возврата управляемого нанопровода 2 в сверхпроводящее состояние из нормального, практически не влияет на устойчивость системы к помехам.

После подачи тока, выше критического (входного сигнала) на тепловыделяющий элемент 1, тепловыделяющий элемент 1 переходит в нормальное состояние, в связи с чем на тепловыделяющем элементе 1 начинает выделяться тепло, которое, при выбранных геометрических параметрах тепловыделяющего элемента 1, зазора 3 между тепловыделяющим элементом 1 и управляемым нанопроводом 2, а также с учетом ширины управляемого нанопровода 2 и теплопроводности использованной подложки и свойств нанесенного сверху диэлектрического слоя заданной толщины, достаточно для перевода управляемого нанопровода 2 в нормальное (несверхпроводящее) состояние с учетом стартового значения тока, протекающего через него. Требуемое выделение мощности, достаточной для нагрева и перевода управляемого нанопровода в нормальное состояние определяется с учетом величины заданного зазора между ними и геометрических параметров тепловыделяющего элемента, управляемого нанопровода и теплопроводности использованной подложки, а также свойств нанесенного сверху диэлектрического слоя заданной толщины по специальным градуировочным кривым, показанным на фиг. 4 и фиг. 5. На фиг. 4 показана экспериментальная зависимость значения минимальной мощности, выделяемой в тепловыделяющем элементе, необходимой для нагрева и перевода управляемого нанопровода в нормальное состояние, от величины тока, протекающего по управляемому нанопроводу (I₂), нормированного на величину тока возврата нанопровода из нормального состояния в сверхпроводящее (I₂^{возврата}), определяемое по вольт-амперной характеристике (см. фиг. 3. На фиг. 3 ток возврата I₂^{возврата}) обозначен как I₂) для ширины тепловыделяющего элемента 100 нм, ширины управляемого провода 200 нм и величины зазора между ними 100 нм. На фиг. 5 показана экспериментальная зависимость минимальной мощности, необходимой для нагрева и перевода управляемого нанопровода в нормальное состояние, от величины зазора между тепловыделяющим элементом и управляемым нанопроводом для значения величины тока, протекающего через управляемый нанопровод, равного величине тока возврата нанопровода из нормального состояния в сверхпроводящее; для ширины тепловыделяющего элемента 100 нм и ширины управляемого провода 200 нм.

После снятия входного сигнала (исчезновения тока через тепловыделяющий элемент 1, выделение тепла в нем исчезает, что инициирует переход управляемого нанопровода 2 в сверхпроводящее состояние.

Пример 2. Способ с использованием схемы, представленной на фиг. 2 реализуется следующим образом. Схема на фиг. 2 аналогична схеме на фиг. 1, с той лишь разницей, что в тепловыделяющий элемент 1 встроена резистивная область 4, сформированная, например, в результате воздействия облучения на тонкопленочный нитрид ниобия для его перевода в металлическое состояние. До прихода входного сигнала достаточной мощности на тепловыделяющий элемент 1, управляемый нанопровод 2 находится в сверхпроводящем состоянии. После подачи входного сигнала достаточной мощности на тепловыделяющий элемент 1, согласно описанному в Примере 1, происходит переход управляемого нанопровода 2 в нормальное состояние. Требуемое выделение мощности, достаточной для нагрева и перевода управляемого нанопровода в нормальное состояние определяется с учетом величины заданного зазора между ними и геометрических параметров тепловыделяющего элемента, управляемого нанопровода и теплопроводности использованной подложки, а также свойств нанесенного сверху диэлектрического слоя заданной толщины по специальным градуировочным кривым, показанным на фиг. 4 и фиг. 5.

После снятия входного сигнала (исчезновения тока через тепловыделяющий элемент 1), выделение тепла в нем исчезает, что инициирует переход управляемого нанопровода 2 в сверхпроводящее состояние.