Курсовая работа: Високотемпературні надпровідні схеми інтегральних мікросхем
Рис.6. Еквівалентна схема збалансованого компаратора.
компаратору, один з вузлів вимикання. Який переключає з'єднання шляхом додаткового поточного Ix подається в центральний вузол пристрою. J2 вимикачі коли Ix>0 і J1 вимикачів, коли Ix <0. Однак неминучим створенням коливань, сірі зони навколо Ix =0, де кожен з вузлів, має ймовірність 0 < P (Ix) < 1 бути включеним. Ефективна ширина ΔIx цього сірі зони, які визначається як ΔIx= (dp/dIx) - 1| p=1/2, зменшує параметр кулуарів RSFQ логічних елементів. Результати ц теорії є приблизно такими:
де It = (2e/ћ) kBT ≈ (0.042 µA) * T (K) і Т температура. У теплових межах коливань, ћ (kωс) 1/2 << kBT.
В ншому випадку, квантова межа, темпи залежності відрізняється,
тепловий потік групи, якій замінюється поточною квантовою одиницею IQ = (2e/ћ) eIcRn. Без обліку теплової та квантових флуктуацій, збалансований компаратор працює зазвичай 0 < Ix/Ic < 1. Операції різниц стають вузькими в результаті коливань. Операція детермінованих полів показана на рис.9.4 повинна бути переглянута з урахуванням цих шумів.
Сетчел (22) і Джеффрі та ін. (23) імітованих коефіцієнтів помилкових бітів (BER) різних SFQ воріт, і їхн результати знаходяться в добрі згоді з теоретичними передбаченнями.
Сетчел дійшов до висновку, що для роботи при температурах вище 40 К можлива тільки для тих схем, які мають добру перенесеність шуму, і Джефрі уклав що провал транспортного переключення (Т-FF) робоча температура повинна бути не нижче 40 К в порядку похибки менше 10 ГГц на 10-6 швидкостей.
Вивчено вплив теплових шумів на збалансований компаратор з бікрісталом джозефсонівських експериментів (24), співвідношення між струмом зміщення та Δix виміряні при 40 К показана на малюнку 9.7. ΔIx / Ic відношення з різними умовами упередженості оцінюється від 6% до 17%. Статична помилка відбувається, коли петля SFQ втрачає зберігання кванта потоку з-за теплового шуму і статичний коефіцієнт помилок петлі SFQ зберігання виготовлений з HTS бікрісталом джозефсонівських переходів вимірювали Чонг та ін. (25). Конфігурації стека двох HTS DC SQUIDs використана в цьому експерименті, одна виступає як сховише петлі для квантів потоку та інші, що виступає в якості зчитування потоку стану зберігання SQUID. Стабільні вимірювання часу для обох “+I" -I" SFQ в зберіганні циклу поблизу порога струму зміщення показані на рис.8. зменшення близько 6-7µA струму зсуву збільшиться стабільний час одного порядку.
Рис.7. Залежність Ix та струму зміщення, б.
Неправильне підключення вимикачів на своєму етапі відповідь на вхідний імпульс SFQ (26). Ці динамічні помилки домінуючими.
Рис.8. Вимірюється час стабільним для обох “+1" і “-1”станів поблизу струму зміщення. Суцільні лінії показують результати модельних розрахунків.
Рис.9. Білі квадрати виміряних точок; чорні квадрати відповідно середні значення.
Над практичними схемами RSFQ. Збалансований компаратор, що складається з орієнтованої зони випромінювання опромінено 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 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 βL постійною. Довге проникнення в глибину матеріалів HTS, однак, робить такі мало індуктівні значення недоцільними. Крім того, значення Іс, ймовірно, буде обмежено до 0,4 мА. Схеми повинн або бути обмежені порівняно з низькою робочою температурою або працювати з меншою.
Максимальна напруга Vd розділені за RSFQ Т-FF визначає максимальну частоту операції βmax в TFF: βmax =Vd/Ф0. Значення IcRn джозефсонівських переходів в Т-FF і Vd 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 Vd на 15K, ƒmax відповідає 155 ГГц. Оцінка обмеження факторів, що визначаються як ƒmax = γIcRn/Ф0, 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 теплов шуми в їх моделювання схеми. Результати моделювання і експериментальн результати, погоджені досить добре. Ці результати показують, що тепловий шум впливає на Т-FF логіку функціонування 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 ндуктивність 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 βl 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 ндуктивність 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 Yba2Cu3Ox (YBCO). YBCO плівки можуть бути вирощені: SrTiO3 (STO), MgO, LaAlO3, NdGaO3, YSZ (стабілізований оксидом ітрію діоксиду цирконію), Sr2AlTaO6 (СБ), Sr 2AlNbO6 (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 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 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 невелик 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 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 Iс 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 нженерії 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 lc з 1σ поширення в lc 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. Ц характеристики подібні від краю рампи перехрестя і є перспективними у зв’язку з SFQ схем застосування.
CAM 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 гарно однорідності Ic 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-опроміненн (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, як виготовляються шляхом здачі на зберігання епітаксіального YBCO на бікристал 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 ма важливе значення. Зокрема, надпровідність землі індуктивність коливального контуру потрібно тримати досить низькими, щоб імпульс SFQ міг генерувати достатній струм у навантаження і індуктор βL в циклі SFQ можуть бути розроблені в рамках діапазону.
Першим на доповідь виготовлення переходів над SEGB землі був Missert (43). Цей пристрій діє як SQUID тільки до 20 К. Операц температури SQUID, яка складалася з переходів SEGB з 200k землі збільшена до 77К вище, Форестер та ін. (44). Вони виміряли температурну залежність L знайшли її в добрій згоді з теорією, згідно з якою температурна залежність проникнення представляє глибини, використовуючи формулу Казимира, λ (t) = λ0/ [1- (T/Tc) 4] 1/2, де λ0 це глибина проникнення при Т = 0.
Рамп-сходження ребер з 450-нм. SQUID звернення працюють на температурах до 50 K, на використані товщі землі під площину робить поверхню бази електрода YBCO грубішою, в результаті чого появляється надлишковий струм в рампі-сходження ребер.
Co-легованих YBCO / YBCO переходах більше 200 нм YBCO площині. Обидва шаруватої структури, окрім тієї ж, що Аль Хант ET. Використовували La-легованого YBCO за базовий Mallison електрод і ін. SAN використовували для ізолятора. Хант та ін. Повідомили L□ 1,0 рН і великим IcRn продукти 0.5 - 0.8 мВ при 65 К. Mallison повідомив L□ 1,2 рН при 70 К. Ці заходи індуктивностей є досить низькими, щоб почати Highspeed
Тести малого масштабу схеми, навіть нижче, індуктивності L□ = 0,8 рН. Як і в структурі, показаній на рис.13, базовий електрод YBCO в структурі виступає як YBCO. Таким чином, ця структура не вимагає додаткові площини землі. Така ж структура використана в роботах.
CAM технології, які використовуються природним наслідком низької індуктивності:
Рис.13 Креслення DC SQUID
Рис.14 Схематичний перетин YBCO / PbCO / YBCO. Рампа краю переходу інтегрована з верхньою площиною земл "HUG структури".
Описан вище літаки землею поховані під переходах, і Товщина поховали літаки земля була бути нижче 200 нм, оскільки товщі землі привели в літаках більше шорсткість поверхні, що дозволило знизити якість з’єднання. Кожен шар YBCO структури HUG було перевірено на тісні поточні щільності до рівня asgrown YBCO плівки. Опір тришарових по 400-нм плівка товщиною STO виміряна більше 1 мΩ в діапазон від 4.2 К до 300 К на площі 100*100 μm, що є достатнім для автоматичних операцій. Високотемпературні процеси використані у формуванні площини грунту не впливають на якість з'єднання, такі як IcRn продукти та надлишковий струм. Структура температурних залежностей може бути встановлена шляхом полосковою моделлю. Ця модель дещо відрізняється від Кортер-Казимира форми, λ (t) = λ0/ [1- (T/Tc) 2] 1-2.
2.4 Елементарні RSFQ схеми
Кілька простих схем RSFQ виготовлені і випробувані на низьких частотах у порядку для перевірки основних операцій SFQ зберігання потоку і перевірки застосовності конкретного виготовлення.
Першим продемонстрував роботу схеми HTS SFQ Іванов (50), який продемонстрував роботу схеми, що складається з усічених скидань - набір (RF) фліп-флоп (FF) (без переходу в буфер скидання каналу) доповнюються за необхідних вхідних і вихідних ланцюгів, використовуючи граничні переходи в YBCO тонкої плівки. Використання LTS (свинцевого сплаву) в площині землі, має обмежену схему операції до 4,2 К.
Форрестер та ін. Повідомили про два простих етапи зрушення з магнітним READ поєднанні SQUID, як показано на рис.16a (51). Ця схема одноярусна YBCO з п'ятьма SEGB переходами. Рисунок показує, що 16b - зсув резистора завантажений і Shifted SFQ дані по команді на 65 К. Відзначимо, що існує помилка близько 130 х років, коли потік квантово зміщується у відсутності зсуву команди. Хоча ефективність зв'язку між читанням SQUID і першими даними SQUID були лише близько 4%, як зберігання та їх SFQ руху у відповідь на сигнали застосовуються в ланцюзі HTS.
