криотрон волкова на основе анизотропной монокристаллической структуры

Формула изобретения

Криотрон на основе анизотропной монокристаллической структуры металлооксидного сверхпроводника, содержащий контакты цепи управления и контакты вентильной цепи, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности, анизотропная монокристаллическая структура выполнена в виде пленки, плоскость которой параллельна направлению с меньшим значением критических параметров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к криоэлектронике, а именно к сверхпроводящим размыкателям многократного действия, и может быть использовано для коммутации токов и создания логических схем в сверхпроводниковой микроэлектронике.

Известен криотрон Волкова на основе монокристалла металлооксидного сверхпроводника с анизотропией проводимости и критических значений плотности тока и напряженности магнитного поля во взаимоперпендикулярных направлениях, содержащий контакты цепи управления, замыкающие ток через направление с большим значением критических параметров сверхпроводника, и контакты вентильной цепи, замыкающие управляемый ток через направление с меньшим значением критических параметров.

Однако монокристаллы ВТСП, как правило, имеют очень маленькую, порядка сотен микрометров, толщину. Кроме того, толщину монокристалла практически невозможно контролировать в процессе выращивания. В то же время именно толщина монокристалла (направление и направление управляемого тока вентильной цепи) определяет величину сопротивления нормального состояния при переключении криотрона, т.е. величину разрывной мощности устройства, которую желательно повышать. Другим недостатком известного технического решения является сложность его изготовления и эксплуатации, связанная с малыми размерами кристалла и невозможностью использования подложек из-за особенностей расположения контактов. В результате этого массовое производство и сборка сложных схем на известных криотронах чрезвычайно затруднены.

Цель изобретения повышение технологичности.

Для достижения цели в криотроне на основе анизотропной монокристаллической структуры металлооксидного сверхпроводника, содержащем контакты цепи управления и контакты вентильной цепи, анизотропная монокристаллическая структура выполнена в виде пленки, плоскость которой параллельна направлению с меньшим значением критических параметров.

Положительный эффект заключается в том, что в предложенном пленочном криотроне управляющая и вентильная цепи со своими контактами расположены в одной плоскости и могут образовывать разветвленные планарные и многоуровневые схемы, технология которых хорошо отработана. В процессе производства легко контролируются и изменяются при необходимости толщина, длина и ширина электродов криотрона, т.е. его функциональные характеристики.

На чертеже схематично изображены два параллельно расположенных криотрона с общей шиной управления.

Криотроны 1 выполнены из монокристаллической анизотропной пленки методом литографии на подложке 2 из непроводящего материала. Криотроны имеют контакты 3 управляющей цепи и контакты 4 вентильной цепи (показаны для одного криотрона). Пленка ВТСП имеет, например, состав Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x, структура которого представляет собой чередование в направлении оси с проводящих слоев CuO и диэлектрических атомарных прослоек (Bi, Ca, Sr). Пленка ВТСП в соответствии с изобретением ориентирована осью параллельно плоскости подложки 2, ориентация осей и , анизотропия которых близка к единице, несущественна. Пример такой ориентации осей элементарной ячейки монокристаллической пленки 1 схематично показан справа на чертеже.

Криотрон работает при температуре ниже точки перехода материала пленки в сверхпроводящее состояние, например, в жидком азоте для указанного выше состава. Рассмотрим работу устройства на примере одного, правого по чертежу, криотрона (другой, левый, криотрон работает аналогично и изображен для иллюстрации возможностей соединения криотронов в схему).

При отсутствии управляющего сигнала тока I_упр через контакты 3 криотроны находятся в состоянии трехмерной сверхпроводимости и управляемые токи I_вент.1 и I_вент.2 текут без потерь. Для переключения криотрона необходимо подавить сверхпроводимость в направлении , сохранив ее в линии управления (аналогично работе криотрона по прототипу). Для этого увеличивают ток I_упр так, чтобы созданное им магнитное поле превысило критическую для направления величину, но не достигло таковой для направления (или ). В результате подавления сверхпроводимости по оси в вентильной цепи возникает сопротивление, обусловленное появлением несверхпроводящих прослоек, и вентильный ток перебрасывается в параллельную сверхпроводящую ветвь (не показана). Поскольку для направления критические значения плотности тока и напряженности магнитного поля больше, чем для направления , то управляющая цепь остается в сверхпроводящем состоянии. Таким образом, для переключения криотрона используется подавление внешним воздействием объемной трехмерной сверхпроводимости до двумерной с локализацией последней в сверхпроводящих плоскостях CuO.