Влияние технологических процессов на качество плёнки для сверхпроводящих приёмников

Учёные вплотную приблизились к созданию сверхпроводникового приёмника, полезного для астрономических исследований. Работа опубликована в журнале Transactions on Applied Superconductivity.

Благодаря рекордной чувствительности терагерцовые сверхпроводниковые приемники применяются в радиотелескопах. Например, первое изображение тени чёрной дыры в 2019 году было получено именно с ними. Подобные устройства на основе ниобия имеют ограничения по частоте порядка 700 гигагерц. Для расширения диапазона в область 800–950 гигагерц учёные тестируют сплав ниобий-нитрид титана. В недавней работе физики из МФТИ исследовали плёнку из этого сплава при различных условиях напыления в качестве материала для приемника и подобрали оптимальные условия синтеза. Но для создания полноценного устройства нужно изготовить линии, антенны и остальные элементы схемы, сохранив при этом целостность плёнки ниобий-нитрид титана.

В новой работе учёные исследовали влияние на качество плёнки химических и физических процессов, которые применяются при изготовлении технологических слоев приемника.

Фёдор Хан, научный сотрудник Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, поясняет: «Это одна из работ на пути к созданию сверхпроводникового приемника диапазона условно 800–950 гигагерц и, возможно, даже выше. Нам необходимо изготовить качественные электроды, туннельные переходы, линии, антенны — элементы всей сверхпроводниковой схемы. Сверхпроводящие плёнки высокого качества нам нужны для того, чтобы пойманный антенной сигнал довести до смесителя без потерь. В этой работе мы исследуем напрямую влияние на качество плёнки каждого отдельного процесса напыления, травления, анодизации буферных слоёв, необходимых для создания устройства».

Сверхпроводниковые приёмники работают следующим образом: терагерцовый сигнал улавливает антенна, после чего его нужно передать на смеситель — устройство, которое помогает снизить частоту сигнала, чтобы его могли обрабатывать компьютеры. Для передачи на смеситель нужны сверхпроводниковые плёнки и туннельный переход (SIS-переход, джозефсоновский переход), через который как бы проскакивают электроны нужной энергии, передающие принятый сигнал.

Часть схемы устройства, куда встроен переход, имеет слоистую структуру: на подложку из кремния напыляется защитный слой оксида алюминия, затем нитрид-ниобий титан, выполняющий роль электрода. На него наносится защитный (от короткого замыкания) слой алюминия и сверхпроводниковый переход: сверхпроводник — изолятор — сверхпроводник. Каждый слой напыляется на подложку и травится — под действием химических веществ удаляются лишние атомные слои. Процессы травления могут повредить плёнку ниобий-нитрида титана, поэтому физики хотели проверить, при каких условиях синтеза это происходит. 

Схематичное изображение SIS-перехода (ниобий Nb — изолятор — нитрид ниобия NbN), встроенного в линию «алюминий Al — ниобий-нитрид титана NbTiN»

Исследователи проанализировали влияние каждого процесса по отдельности, и оказалось, что качество плёнки если и ухудшается, то незначительно. А это значит, что нет никаких технологических ограничений на создание сверхпроводникового приёмника.

Физики уже синтезировали тестовую часть линии, отвечающую за передачу сигнала, для формирования приемника осталось спроектировать интегральную схему.

Борис Горшунов, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ, подводит итог: «Мы показали, что технологические слои, необходимые для производства интегральных схем с использованием плёнок нитрида титана, практически не ухудшают качество этих плёнок. Следующая задача — спроектировать интегральную схему на 800–950 гигагерц. Излучение, которое приходит извне, должно дойти до смесителя, где должно произойти смешение сигналов. И если схема окажется плохо спроектированной, то возникнут многократные отражения, что приведёт к ухудшению характеристик приёмника. Важно этого избежать, рассчитав согласование антенны со смесительным элементом, подвод сигнала гетеродина и отвод на промежуточной частоте».

Источник: «За науку».