Курсовая работа: Високотемпературні надпровідні схеми інтегральних мікросхем

Рис.9. Білі квадрати виміряних точок; чорні квадрати відповідно середні значення.

Над практичними схемами RSFQ. Збалансований компаратор, що складається з орієнтованої зони випромінювання опроміненої пучком на переходах використана в цьому експерименті. Рис.9.9 показує, BER залежності від прикладеного струму, який так само, як Ix. Температура у цьому експерименті 39 К і вхідний імпульс SFQ частоти близько 1 ГГц. Були отримані BER менш 10^-11 , показуючи, що SFQ схема може працювати при 39 К. Їх вимірювання також вказували, що значне полів параметрів схеми повинні бути прийняті до уваги коли температура вище 4,2 К.

Підтримання постійного поля шумів при підвищених температурах Ic значень переходу до збільшення частки до робочої температури і схеми індуктивності для зменшення значень, зберігаючи β_L постійною. Довге проникнення в глибину матеріалів HTS, однак, робить такі мало індуктівні значення недоцільними. Крім того, значення І_с , ймовірно, буде обмежено до 0,4 мА. Схеми повинні або бути обмежені порівняно з низькою робочою температурою або працювати з меншою.

Максимальна напруга V_d розділені за RSFQ Т-FF визначає максимальну частоту операції β_max в TFF: βmax =V_d /Ф₀ . Значення IcRn джозефсонівських переходів в Т-FF і V_d цього Т-FF були зіставлені та їх температурна залежність була розглянута Сайто та ін. (27). Температурні залежності значень IcRn показані на рис.10. Vd ясно менше, ніж значення IcRn, хоча їх температурних залежностей достатньо подібні.

Рис.10. Залежність значення IcRn і напруги Vd.

Максимальна V_d на 15K, ƒmax відповідає 155 ГГц. Оцінка обмеження факторів, що визначаються як ƒ_max = γI_c R_n /Ф_0, становить 0,4 > γ >0,1 для 15 K < Т < 27 К. Передбачається, що тепловий шум впливає на Т-FF операції, і вони включають такі теплові шуми в їх моделювання схеми. Результати моделювання і експериментальні результати, погоджені досить добре. Ці результати показують, що тепловий шум впливає на Т-FF логіку функціонування і пригнічує максимальні частоти. Вони припустили, що джозефсонівські контакти, для яких IcRn більше, ніж 1 мВ необхідні, щоб операція по швидкостях понад 100 ГГц і повинні бути отримані на 30 К.

2.2.2 Паразитична Індуктивність

Паразитарна індуктивність неминуча в практичному організаційному макеті джозефсонівських переходах і контактах в SFQ цифрових схем. Лінія індуктивності в ланцюгах є HTS вдвічі більша, ніж в схемах LTS. Крім того, дрібні елементи індуктивності HTS використовувалися в схемах з підтримкою β_l их Ic. Таким чином, більш серйозна проблема для HTS схеми SFQ ніж LTS схем.

Сатчел (22) і Джефрі (23) імітували паразитний вплив індуктивності до схеми виходу, а також теплового шуму. На рис.11, моделювання за результатами Jeferry, в якому дало результати для Т-FF SFQ з різними умовами та експлуатацією частот описані з (рис.11а). Ці результати показують, що кількісна паразитична індуктивність може мати значний вплив на ймовірність отримання HTS SFQ схема працює на надвисоких швидкостях.

Рис.11. Монте-Карло дають результати для Т-FF (а) і (б) без паразитичних індуктивностей.

Значення цієї паразитичної індуктивності достатньо велике, щоб скоротити операційний семплер ланцюга.

2.3 Виготовлення SFQ схем

2.3.1 Матеріали

Надпровідник, який найбільш широко використовується в HTS цифрових схемах Yba₂ Cu3Ox (YBCO). YBCO плівки можуть бути вирощені: SrTiO₃ (STO), MgO, LaAlO₃ , NdGaO_3, YSZ (стабілізований оксидом ітрію діоксиду цирконію), Sr₂ AlTaO₆ (СБ), Sr ₂ AlNbO₆ (SAN), і (La0.3Sr0.7) (Al0.65Ta0.35) Ox (останній). Серед них, СТО досі найбільш популярний матеріал підкладки для SFQ цифрових схем, оскільки його постійна решітки і коефіцієнт теплового розширення є близькі до YBCO. Вибір надпровідників у підкладці обмежує вибір ізоляторів. Вкрай бажано, що ізолятор може бути виготовлено з використанням тих же матеріалів, які використовується для депозитів YBCO і при температурі не набагато вище. Очевидним вибором для ізоляторів є субстрати матеріалів. Існують шари MgO, LaAlO₃ , NdGaO₃ ,SAN. Опір цих матеріалів є достатньо високим для цифрового ланцюга.

Серед них, Pd / Au був з набагато меншим температурним коефіцієнтом опору, особливо при низькій температурі, ніж Pd. Поверхневий опір 400-нм Pd / Au. Було близько 0.6Ω від 4.2 К до 77 К. Вони припустили, що Pd / Au є найбільш підходящим матеріалом для схем SFQ. Форрестер та ін. Au використовуватися для резисторів з адгезією Ti шар в Sigma дельта модулятор (31) і Мо був використаний для 1 - Ω резистора Міллер та ін. (32). Контактний опір між цими резистора і шару YBCO є небажано великим у порівнянні з опором листа, тому важливо, що будуть досліджені способи зниження опору контакту.

2.3.2 Джозефсонівські переходи

З різних видів джозефсонівських ступенів розвитку, EDGE-тип переходів (34), схематично показано на рис.12а, як видається, є найбільш перспективними для цифрової схеми через свої невеликі розміри, потенційна керованість переходу критичного струму і перехід значень опору, і простота надпровідних проводів.

Рис. 12 Схема перетину HTS джозефсонівських переходів.

Сато та ін. Розробив на місці крайній підготовки до рампи PbCO-сходження ребер і набув поширення Ic 1σ=10% за 12 переходів з продуктом IcRn 2 мВ при 4,2 К (35). Co-легованих YBCO діє як бар'єр при температурі вище 50 К і 20-рампа сходження ребер з співголовами легованих бар'єрів, які зроблені Малісоном та ін. Був продуктом IcRn 0,3 мВ при 50 К і показав Ic поширення 12% (1) (36). Інші краї перехрестя з Co-легованого бар'єр YBCO, база якого містить електроди YBCO 5% La, виставлена IcRn продукти 0.5 - 0.8 мВ при 65 К з 1σ I_с що поширюється вниз до 12%, повідомив Хант та ін. (13). Було встановлено, що Ga допінгу, Rn систематично збільшився, а Ic залишився незмінним. Ванговен та ін. Доказали, що шляхом легування Ga, IcRn продукція була збільшена до 8 мВ при 4,2 К (12).

Інтерфейс інженерії рамп-сходження ребер (IEJ), розроблена Moeckly та ін. (37) привертають велику увагу, тому що відтворений виготовлення цілком підходить для додатків цифрової схеми. У цьому процесі осадження бар'єр формується тільки шляхом структурної зміни за допомогою іонного бомбардування і вакуумного відпалу. Зміни, в якому був сформований нормальний фрезерних іон. Їх зміна пов'язана в переходах (MIJ) також показала, відтворення l_c з 1σ поширення в l_c складає менше 8% на 100 контактів (16).

Недоліком використання рамп-сходження ребер в ланцюгах SFQ є те, що буде важко зменшити петлю індуктивності. Один зі способів зменшити індуктивність SFQ циклу за допомогою вертикальної структури. Вертикальна петля може бути побудована за допомогою Stacked переходів (рис.12b) і з віссю Microbridge (CAM) в переходах (рис.12c). Як і конфігурація Stacked переходів, що й у Nb / Alox / Nb переходах, які використовуються в схемах LTS SFQ, розвиток Stacked переходів для HTS схеми SFQ довелось чекати від першого етапу HTS перехід розвитку. Нещодавно Stacked з продуктом IcRn 2,1 мВ і 10% lσ поширив ІМС на 4,2 K. Ці характеристики подібні від краю рампи перехрестя і є перспективними у зв’язку з SFQ схем застосування.

CAM є просто надпровідною структурою без навмисного формування бар’єру слабкого зв’язку. З’єднання між двома шарами YBCO. Це поєднання має IcRn продукт, як великий 1,2 мВ при 60 К. Однак, оскільки критичного струму в звичайних (2 -μм-діаметр) CAM технології занадто високі. CAM діаметр 0,5 м потрібно для цілей критичного струму 0,5 мА на 40 - 60 К (39). Здається, що для досягнення гарної однорідності I_c буде важко завдяки своїй невеликій території.

Крок від краю межі (SEGB) вузлів, які утворюють розриви в кристалічній орієнтації, охоплює HTS крок у підкладці (рис.12d), більш легко інтегруються в мультислоях ніж рампа-сходження ребер (32,40). Орієнтовані-електронно-променево-опроміненні (ОЕПО) переходи на одному шарі YBCO визначаються шляхом опромінення краю з високими дозами електронів, що робить їх чисто резистивними. Таким чином, була можливість для точного визначення різних критичних струмів для переходу ОЕПО (41). ОЕПО переходи не підходять для використання у великих масштабах схеми, оскільки занадто багато опромінення часу потрібно для прийняття кожного переходу. Кілька HTS цифрових схем виготовлені з використанням зернограничних переходів, які виготовляються шляхом здачі на зберігання епітаксіального YBCO на бікристалі підкладки (42), тому що вони мають порівняно великі IcRn. Використання бікристаллом зернограничних переходів обмежені в невеликих масштабах.

З метою реалізації високопродуктивних HTS SFQ схем, розробка схеми процесу, якої інтегрує відтворення джозефсонівських в епітаксіальних мультислоях має важливе значення. Зокрема, надпровідність землі індуктивність коливального контуру потрібно тримати досить низькими, щоб імпульс SFQ міг генерувати достатній струм у навантаження і індуктор β_L в циклі SFQ можуть бути розроблені в рамках діапазону.