約瑟夫森磁開關(guān)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于約瑟夫森（Josephson）超導(dǎo)體/絕緣體/鐵磁體/超導(dǎo)體（SIFS）結(jié)的新型約瑟夫森開關(guān)。該約瑟夫森SIFS結(jié)具有鐵磁性（F）勢壘，該勢壘的磁化可以由磁場脈沖控制?？梢允褂迷摻Y(jié)鐵磁性（F）勢壘的剩余磁化來控制此類SIFS結(jié)的臨界電流。所提出的約瑟夫森磁性SIFS開關(guān)采用具有面內(nèi)磁各向異性和微小矯頑場的弱鐵磁性（F）薄膜內(nèi)層（例如Pd0.99Fe0.01薄膜勢壘）。Nb-Pd0.99Fe0.01-Nb?SFS夾層結(jié)構(gòu)可以由磁場脈沖在約瑟夫森臨界電流的兩個狀態(tài)之間或者在零電阻和電阻狀態(tài)之間切換。重要的是在沒有任何施加電場的情況下臨界電流狀態(tài)在低溫下在足夠長時間內(nèi)保持不變。所提出的約瑟夫森磁開關(guān)可以用作切換元件或與超導(dǎo)單通量量子數(shù)字電路兼容的存儲器裝置中的元件。
【專利說明】約瑟夫森磁開關(guān)
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明涉及低溫電學(xué)裝置，并且更具體地涉及低溫電學(xué)開關(guān)，其中可以經(jīng)由控制電流線使用磁場脈沖控制電阻切換的閾值。例如，此類開關(guān)可以用作切換元件，用作與超導(dǎo)單通量量子(SFQ)數(shù)字電路兼容的存儲器裝置的元件，或者用于其他應(yīng)用。本發(fā)明的約瑟夫森(Jos印hson)開關(guān)允許構(gòu)建大容量低溫存儲器和用于SFQ電路工程學(xué)的其他裝置，這些裝置提供以下優(yōu)點例如小面積單元、非破壞性的讀出、快速、低功率且與SFQ制造工藝兼容。
[0002]長期以來已存在對快速且密集的超導(dǎo)存儲器的需要。例如，一篇論文的作者已提出將快速約瑟夫森結(jié)構(gòu)與分離鐵磁點組合，該論文即R.Held, J.Xu, A.Schmehl,
C.ff.Schneider,J.Mannhart 和 M.R Beasley,“Superconducting memory based onferromagnetism”，Appl.Phys.Lett.89,163509 (2006)。該存儲器元件使用點磁化控制來存儲數(shù)據(jù)并且使用常規(guī)隧道約瑟夫森結(jié)來讀出數(shù)據(jù)。另外，在日本專利(JP3190175，YUZURIHARA等人，08/20/1991)中提出一種磁開關(guān)，其也使用常規(guī)約瑟夫森結(jié)作為磁通量檢測器并且在該結(jié)外面使用抗鐵磁膜，從而導(dǎo)致并維持施加到該結(jié)的磁通量。
[0003]本發(fā)明允許在超導(dǎo)體(S)和鐵磁體(F)被封裝在多層約瑟夫森SFS結(jié)構(gòu)中的情況下使組合的超導(dǎo)體/鐵磁體存儲器元件顯著地更加緊湊，其中鐵磁體位于超導(dǎo)體層之間。
[0004]對具有交替磁性和非磁性層的金屬多層系統(tǒng)的大量興趣主要是由基于磁性和正常的金屬分層結(jié)構(gòu)的巨磁阻結(jié)構(gòu)的探索和使用所導(dǎo)致的。此類應(yīng)用的一個示例在以下出版物中描述:P.Griinberg, J.A.Wolf, R.Sch & fer, “Long Range Exchange Interactionsin Epitaxial Layered Magnetic Structures，，，Physica B221 (1996) 357 ;美國專利 N0.4949039 “Magnetic field sensor with ferromagnetic thin layers havingmagnetically antiparallel polarized components，，。
[0005]也已經(jīng)對基于超導(dǎo)性和鐵磁性的共存的超導(dǎo)體/鐵磁體(SF)多層系統(tǒng)產(chǎn)生顯著的興趣。在自旋排序上不同的這兩種現(xiàn)象的對抗作用(antagonism)是在S材料和F材料的接觸區(qū)中強烈抑制超導(dǎo)性的原因。然而，弱鐵磁體的使用允許實現(xiàn)約瑟夫森SFS結(jié)構(gòu)。另外，超導(dǎo)順序參數(shù)并不簡單地衰減到鐵磁體而是也發(fā)生振蕩，如在以下出版物中描述:A.1.Buzdin,“Proximity effects in superconductor/ferromagnet heterostructures，，，Rev.Mod.Phys.77 (2005) 935。
[0006]通過約瑟夫森SFS結(jié)的超導(dǎo)電流的首次觀察由V.V.Ryazanov在“Josephson superconductor-ferromagnetic-superconductor rc-contact as an element of a quantumbit”，Phys.Usp.42 (1999) 825 中描述。
[0007]約瑟夫森SFS結(jié)的具體特征已由發(fā)明人V.V.Ryazanov, V.A.0boznov,“Device forthe superconducting phase shift，，專利 RU97567 (2010) ；A.K.Feofanov, V.A.0boznov,V.V Bol ’ ginov, J.Lisenfeld, S.Poletto, V.V.Ryazanov, A.N.Rossolenko, M.Khabipov,
D.Balashov,A.B.Zorin,P.N.Dmitriev,V.P.Koshelets和 k.V.Ustinov, “Implementationof superconductor/ferromagnet/superconductor p1-shifters in superconductingdigital and quantum circuits”，Nature Physics6 (2010) 593 用于超導(dǎo)相的實施。
[0008]SFS反相器中的鐵磁(F)內(nèi)層的磁性結(jié)構(gòu)必須在電路中的磁場和電流發(fā)生較小改變時穩(wěn)定，從而確保穩(wěn)定相移。本發(fā)明提出在約瑟夫森SFS結(jié)(具有單個鐵磁勢壘)中應(yīng)用F勢壘的再磁化，從而維持并切換結(jié)臨界電流狀態(tài)。
[0009]通過在多層FSF系統(tǒng)中操縱鐵磁(F)層的磁化的相互取向來實現(xiàn)自旋閥效應(yīng)也已在 G.Deutscher 和 F.Meunier，“Coupling Between Ferromagnetic Layers Through aSuperconductor^, Phys.Rev.Lett22 (1969) 395 中被描述。該作者在 FSF (FeNi/In/Ni)三層上使用傳輸電阻(面內(nèi))實驗測量F層磁化的反并行(AP)和并行(P)取向之間的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc之差。他們觀察到針對P取向的較低Tc。
[0010]L.R.Tagirov 在“Low-Field Superconducting Spin Switch Based on aSuperconductor/Ferromagnet Multilayer”，Phys.Rev.Lett83 (1999)2058 中對該現(xiàn)象進行了的理論描述。
[0011]來自在對S層中的超導(dǎo)庫伯對起作用的兩個F層的平均交換場對于F層的AP磁化取向比 P 情況更小。P.V.Leksin, N.N.Garif，yanov, 1.A.Garifullin, J.Schumann，H.Vinzelberg, V.Kataev, R.Klingeler, 0.G.Schmidt 和 B.Biichner, “Full spin switcheffect for the superconducting current in a superconductor/ferromagnet thinfilm heterostructure”，Appl.Phys.Lett.97 (2010)102505 也觀察到具有從電阻態(tài)(對于P取向)到超導(dǎo)態(tài)(對于AP取向)的SFF’三層的全切換的自旋閥效應(yīng)。
[0012]A.1.Buzdin, A.V.Vedyaev 和 N.N.Ryzhanova，“Spin-orientation-dependentsuperconductivity in F/S/F structures”，Europhys.Lett.48 (1999) 686 也描述了F層磁化的非共線取向的情況。該作者在該參考文獻中僅考慮常規(guī)(自旋單對分量)。除此之外，F(xiàn).S.Bergeret, A`.F.Volkov 和 K.B.Efetov, “Enhancement of the JosephsonCurrent by an Exchange Field in Superconductor-Ferromagnet Structures，，，Phys.Rev.Lett.86 (2001) 3140 ;“0dd triplet superconductivity and related phenomenain superconductor-ferromagnet structures”，Rev.Mod Phys.77 (2005) 1321 預(yù)測了多層FS結(jié)構(gòu)中的非共線F層磁化導(dǎo)致出現(xiàn)新的“自旋三重態(tài)成對分量”，其由于長程超導(dǎo)鄰近效應(yīng)而深入穿透到鐵磁體中。
[0013]Ya.V.Fominov, A.A.Golubov 和 M.Yu.Kupriyanov, “Triplet proximity effectin FSF trilayers^ JETP Lett.77 (2003) 510已經(jīng)描述了與自旋三重態(tài)成對分量相關(guān)的FSF自旋閥性質(zhì)。
[0014]在以下多個出版物中提出了約瑟夫森SFIFS和SFNFS自旋開關(guān)JRKrivoiaichko和E.A.Koshina，“From inversion to enhancement of the dc Josephson current in S/F-1-F/S tunnel structures”, Phys.Rev.B64 (2003) 172511 ；T.Yu.Karminskaya, M.Yu.Kupriyanov和 A.A.Golubov，“Critical current in S-FNF-S Josephson structures withthe noncollinear magnetization vectors of ferromagnetic films”， JETP Lett.,87(2008) 570 ；T.Yu.Karminskaya，M.Yu.Kupriyanov 和 ?.V.Rjazanov.“Superconductingdevice with Josephson junction”，專利 RU2373610C1 ?
[0015]全部這些提案都使用由非磁性正常金屬(N)或電介質(zhì)(I)分隔層分離的兩個F層的相互磁化取向的改變引起的約瑟夫森臨界電流量值的變化。在單疇狀態(tài)中需要使用兩個 鐵磁體層是這些裝置的主要缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]以下是本發(fā)明的圖解實施例的簡要描述。其被提供作為前言來幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員更迅速地理解相繼發(fā)生并且不意圖以任何方式限制權(quán)利要求的保護范圍的詳細(xì)設(shè)計討論，該權(quán)利要求附加于此以便特別指出本發(fā)明。
[0017]本發(fā)明的目標(biāo)是基于超導(dǎo)體/絕緣體/鐵磁體/超導(dǎo)體(SIFS)結(jié)的新型約瑟夫森開關(guān)，其具有一個多疇或單疇鐵磁性內(nèi)層和由鐵磁性內(nèi)層(F勢壘)的磁化改變來控制的臨界電流。F勢壘是確保約瑟夫森效應(yīng)即超導(dǎo)電流流過兩個超導(dǎo)(S)層之間的鐵磁性內(nèi)層的可能性的弱鏈路。所提出的裝置在圖1中示意性示出。它包含與用于供應(yīng)磁場脈沖的控制電流線6感應(yīng)耦合的約瑟夫森SIFS結(jié)I。脈沖改變F層的剩余磁化。由于磁化改變，F(xiàn)勢壘3的凈磁感B變化，并且根據(jù)約瑟夫森結(jié)的“夫瑯和費” I。⑶相關(guān)性將結(jié)臨界電流值Ic 移位(例如參見 A.Barone, G.Paterno, “Physics and Applications of the JosephsonEffect，，，Wiley-1nterscience Publication, 1982, Ch.4)。
[0018]使用磁場脈沖SIFS結(jié)可以在具有不同臨界電流I。值的兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間重復(fù)切換。當(dāng)存在經(jīng)過SIFS結(jié)的恒定“讀出電流” Iread時，該裝置在超導(dǎo)(零電阻)狀態(tài)和電阻狀態(tài)之間切換。重要的是臨界電流狀態(tài)在沒有施加任何電場的情況下在低溫下保持充分長的時間基本不變。
[0019]圖2示出在溫度等于T=4.2K的情況下臨界電流如何依賴于具有弱鐵磁性Pd0.99Fe0.01勢壘的Nb-Pda 99Fe0.01-Nb夾層狀結(jié)構(gòu)中的磁場。箭頭示出所施加的磁場循環(huán)的方向。圖2表明I。?)行為是可逆的，并且極右和極左狀態(tài)對應(yīng)于不同的臨界電流值。I。?)依賴性的再磁化環(huán)路在零磁場中具有兩個臨界電流值。因此，有可能挑選偏置電流量(在圖2中IMad=240 μ Α),從而由弱磁場的脈沖將SFS結(jié)從超導(dǎo)狀態(tài)切換到電阻狀態(tài)。這種實驗的結(jié)果在圖3中展示，其中正負(fù)磁場脈沖將SFS結(jié)從超導(dǎo)(零電阻)狀態(tài)切換到電阻狀態(tài)并切換回到超導(dǎo)狀態(tài)。
[0020]為提高開關(guān)的速度，必須減小如圖1所示的控制電流線6的電感以及約瑟夫森結(jié)的切換時間TfCDci/(2 JiIeRn),其中Otl是磁通量量子，I。是結(jié)臨界電流，并且Rn是結(jié)正常電阻。在結(jié)中使用附加隧道層I (即，使用附加絕緣體內(nèi)層制造SIFS夾層結(jié)構(gòu))使得能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)10_4V的增大Vc=IeRn和切換時間的顯著減小。使用SIFS (Nb-AlOx-Pd0.99Fe0.01-Nb)結(jié)的實驗的結(jié)果在圖4和圖5中展示。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1示出本發(fā)明的約瑟夫森磁開關(guān)。
[0022]圖2展示具有弱鐵磁性Pda99Featll內(nèi)層的Nb-Pda99Featll-Nb SFS約瑟夫森結(jié)的臨界電流I。(H)的磁場依賴性。
[0023]圖3示出磁場脈沖和SFS結(jié)從超導(dǎo)(零電阻)狀態(tài)到電阻狀態(tài)的相應(yīng)切換的時序圖。
[0024]圖4 示出 SIFS 結(jié)(Nb-AlOx-Pda99FeaQ1-Nb)的 1-V 特性，其中 Vc=IcRn=KT4V 并且溫度 Τ=2.2Κ。[0025]圖5示出磁場脈沖和SIFS (Nb-AlOx-Pd0.99Fe0.01-Nb)結(jié)從超導(dǎo)(零電阻)狀態(tài)到電阻狀態(tài)的相應(yīng)切換的時序圖。
【具體實施方式】
[0026]圖1展示本發(fā)明的約瑟夫森磁開關(guān)(JMS)。該JMS包含多層的超導(dǎo)體/絕緣體/鐵磁體/超導(dǎo)體(SIFS)約瑟夫森結(jié)1，其具有夾在兩個超導(dǎo)層(S電極)2之間的多疇或單疇鐵磁性內(nèi)層(F勢壘)3和絕緣體(I)內(nèi)層4。IF勢壘是允許約瑟夫森效應(yīng)即超導(dǎo)電流在S電極之間流動的可能性的弱鏈路。
[0027]本發(fā)明的JMS也包含偏置電流電路5和磁脈沖電路6，其中偏置電流電路5施加偏置結(jié)電流，而磁脈沖電路6是用于供應(yīng)磁場脈沖的控制電流線。偏置電路5也提供約瑟夫森結(jié)I的電阻狀態(tài)和超導(dǎo)狀態(tài)的控制。附加絕緣體隧道中間層(I勢壘)允許減小JMS切換時間。
[0028]本發(fā)明的JMS操作基于約瑟夫森SIFS結(jié)鐵磁性內(nèi)層的重復(fù)再磁化，由此該結(jié)可以在具有不同臨界電流I。值的兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間重復(fù)切換，如圖2所示。在均勻磁化的情況下，約瑟夫森SIFS結(jié)具有臨界電流I。對穿過結(jié)面積的磁通量Φ的準(zhǔn)周期性(“夫瑯和費”)依賴性:
[0029]Ic((D)=Ic0sin(3i Φ/Φ0)/( Ji Φ/Φ0)。
[0030]這里O=BdniUB是鐵磁性內(nèi)層的平均磁感應(yīng)強度，dm是約瑟夫森結(jié)的“磁性厚度”，L是在垂直于平均磁感應(yīng)強度B的方向上的結(jié)尺寸，Φ0是磁通量量子。
[0031]這里O=Bd111UB是鐵磁性內(nèi)層的平均磁感應(yīng)強度，dm是約瑟夫森結(jié)的“磁性厚度”，L是在垂直于平均磁感應(yīng)強度B的方向上的結(jié)尺寸，Φ0是磁通量量子。
[0032]在零外部磁場中，臨界電流值Ie(H=O)取決于剩余磁化值Μ。在原始狀態(tài)M等于零并且磁通量Φ也等于零。從具有平均疇結(jié)構(gòu)的原始狀態(tài)到鐵磁性內(nèi)層的飽和磁化的磁化過程以及從均勻飽和狀態(tài)到剩余磁化的再磁化過程導(dǎo)致JMS運行所需要的“零場”臨界電流的急劇改變。
[0033]另外，具有亞微米單疇勢壘的SIFS結(jié)也可以用作約瑟夫森磁開關(guān)，即有可能實現(xiàn)具有單疇F勢壘的約瑟夫森磁開關(guān)。為實現(xiàn)這種磁開關(guān)，有必要獲得具有F層的特定易磁化軸的SIFS結(jié)。例如，具有沿著長邊a的易磁化軸和沿著短邊b?a/2的亞穩(wěn)定磁性狀態(tài)的矩形F層將是方便的。如果飽和磁通量密度是Bs并且鐵磁層厚度是d，則穿過結(jié)的磁通量在Bs的方向與易磁化軸一致時的初始狀態(tài)中等于O1?Bdb，并且在B沿著b軸定向時的亞穩(wěn)定狀態(tài)中為02=Bda。臨界電流在這兩種狀態(tài)中可以顯著不同。
[0034]基于F層再磁化的本發(fā)明的約瑟夫森磁開關(guān)使用具有面內(nèi)磁各向異性的弱鐵磁性合金，該面內(nèi)磁各向異性在零磁場中提供微小的超導(dǎo)性衰減和穿過結(jié)的非零磁通量。具有低Fe含量的弱軟磁性PdFe合金可以用于此目的。參見C.Biischer, T.Auerswald,E.Scheer E 等人,Phys Rev B46 (1992)983。例如，具有 34nm 厚度的 Pda99Featll 合金的薄層具有約15K的居里溫度。
[0035]圖2和圖3示出具有這種勢壘的SFS結(jié)如何作為約瑟夫森磁開關(guān)進行操作。由于面內(nèi)磁各向異性和微小的矯頑磁場，因此具有僅約IOe的幅值的磁場脈沖足以將SFS結(jié)從超導(dǎo)狀態(tài)切換到電阻狀態(tài)并且反之亦然。前述JMS的F層由約8-10 μ m的磁疇尺寸和約5-100e的飽和場表征。因此，具有30Χ30μm2橫向尺寸的結(jié)(圖2、圖3)由于疇結(jié)構(gòu)的再磁化而進行操作。
[0036]當(dāng)SFS結(jié)尺寸接近疇尺寸時，正負(fù)場符號的Ic(H)依賴性的兩個分支變?yōu)橄鄬τ谠c對稱，因此正負(fù)剩余磁化的臨界電流值一致。為實現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)，有必要使用不同幅值的正負(fù)脈沖(如圖5所示)或施加附加DC場偏移。
[0037]制造工藝的示例開始于在單真空循環(huán)中的Nb-PdFe-Nb (或Nb-Al/A10x-PdFe_Nb)多層沉積。首先，120nm Nb (和1Onm Al)厚度的Nb層(或Nb-Al雙層)借助于磁控濺射來沉積。在SIFS結(jié)的情況下，Al層在1.5X 1O-2mBar的氧氣氣氛中氧化30分鐘。這些加工參數(shù)允許提供適用于4kA/cm2的臨界電流密度的隧道勢壘的透明度。然后氧氣被泵出并且使用射頻和直流磁控濺射來沉積PdFe-Nb雙層。具有約30nm厚度的Pda99Featll層可以被用于SFS結(jié)，并且約12-15nm的厚度可以被用于SIFS結(jié)。
[0038]頂部Nb層厚度可以更大(約120_150nm)以確保均勻的超導(dǎo)電流流過約瑟夫森結(jié)。在第二步，30X 30 μ m2或1OX 10 μ m2的正方形“臺面”可以通過光刻工藝、頂部Nb層的RIE蝕刻以及PdFe和Al/A10x層的氬等離子體蝕刻來形成。
[0039]然后底部Nb電極可以使用光刻和RIE蝕刻工藝來圖案化。在第三步，具有窗口的絕緣層可以通過應(yīng)用SiO的熱蒸發(fā)和剝離工藝來形成。
[0040]在最后一步，具有450nm厚度的Nb布線電極可以使用磁控濺射和剝離光刻工藝來形成。
[0041]上面描述的制造技術(shù)與SFQ電路制造的現(xiàn)代Nb-AlOx技術(shù)兼容。
[0042]根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的約瑟夫森存儲器元件的開關(guān)速度取決于磁脈沖控制電流線的電感和SIFS結(jié)的切換時間。后者是τJ=ΦO(2ji IcRn)。IcRn的獲得值~10_4V對應(yīng)于約1OOGHz的常規(guī)約瑟夫森隧道結(jié)的切換速率。因此，有限的切換頻率受F層再磁化速率約束。最優(yōu)結(jié)果似乎由微小單疇鐵磁勢壘的再磁化來確保。
[0043]為了圖示說明和描述的目的已經(jīng)展示了本發(fā)明的各種實施例的前面描述。許多修改和變化是可能的。對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是此類修改和變化意欲包括在隨附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種約瑟夫森磁開關(guān)，其包含: 多層超導(dǎo)體/絕緣體/鐵磁體/超導(dǎo)體即SIFS約瑟夫森結(jié)，其中第一外層由第一超導(dǎo)材料制成，第二外層由第二超導(dǎo)材料制成，第一內(nèi)層由鐵磁體制成，并且第二內(nèi)層由絕緣體材料制成； 偏置電流電路；以及 磁脈沖控制電流線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的約瑟夫森磁開關(guān)，其中所述第一外側(cè)和所述第二外層由相同的超導(dǎo)材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的約瑟夫森磁開關(guān)，其中所述第一內(nèi)層由多疇鐵磁體制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的約瑟夫森磁開關(guān)，其中所述第一內(nèi)層由單疇鐵磁體制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的約瑟夫森磁開關(guān)，其中所述鐵磁體由大于零的磁滯寬度表征。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的約瑟夫森磁開關(guān)，其中所述磁脈沖控制線能夠為再磁化所述鐵磁體提供磁場脈沖。
【文檔編號】H01L39/22GK103608942SQ201280014411
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月26日
【發(fā)明者】V·V·梁贊諾夫, V·V·博爾諾夫 申請人:尹丘比特公司