Исследование процессов в усилителе сигналов быстрой одноквантовой логики на основе многоэлементных джозефсоновских структур

На правах рукописиСоловьев Игорь ИгоревичИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В УСИЛИТЕЛЕ СИГНАЛОВБЫСТРОЙ ОДНОКВАНТОВОЙ ЛОГИКИ НА ОСНОВЕМНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ СТРУКТУРСпециальность 01.04.04 – Физическая электроникаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2007Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы и микроэлектроникифизического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,доцент Виктор Константинович Корнев.Официальные оппоненты:•доктор физико-математических наук, профессор Валерий Павлович Кошелец.•кандидат физико-математических наук Александр Львович Гудков.Ведущая организация: Физико-технологический институт Российской академии наук.Защита диссертации состоится “31” мая 2007г. в 14.30 часов на заседанииДиссертационного Совета Д.501.001.66 в Московском Государственном Университетеим.

М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские Горы дом 1, строение 2,физический факультет МГУ, аудитория 5-19.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Автореферат разослан “” апреля 2007 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д.501.001.66Ершов А.П.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыПрогресс современных цифровых технологий в значительной степени связывается сразвитием сверхпроводниковых цифровых устройств на основе быстрой одноквантовойлогики, известной как RSFQ-логика (Rapid Single Flux Quantum logic), которая была впервыепредложена и введена в разработку в лаборатории криоэлектроники физического факультетаМГУ [1].

RSFQ устройства характеризуются крайне низкой энергией переключенияджозефсоновских элементов EJ = Φ0IC = 2·10-15 Вб х 10-4 А ≈ 10-18 Дж, а также очень высокимбыстродействием, допускающим тактовые частоты устройств на основе низкотемпературныхсверхпроводников до 100 ГГц. Это позволяет одновременно наращивать быстродействие истепень интеграции сверхпроводниковых цифровых устройств.В настоящее время в целом ряде ведущих научных центров мира, таких как HYPRES(США), ISTEC и AIST (Япония), IPHT и PTB (Германия), VTT (Финляндия) существуетотработанная ниобиевая технология изготовления сверхпроводниковых интегральных схем.Эта технология позволила достичь очень высокой степени интеграции элементовсверхпроводниковых схем, характеризующейся числом джозефсоновских переходов (JJ) наодном чипе более десяти тысяч: 11 000 JJ/чип (ISTEC) и 12 000 JJ/чип (HYPRES). Внастоящее время в ISTEC разрабатывается интегральная схема с плотностью 81 000 JJ/чип.Для охлаждения таких сверхпроводниковых схем до рабочих температур (T ≤ 4.2 К)уже разработаны малогабаритные криокулеры с низким энергопотреблением (SUMITOMOSRDK101D, Lockheed Martin и другие).

Характеристика криокулера SRDK101D: размеры130x226x442 мм, вес 7.2 кг, энергопотребление 1.2 кВт, температура охлаждения 3 К, частотатехнического обслуживания – 1 раз в 10 000 часов (416 суток).В процессе разработки основ цифровой сверхпроводниковой электроники в научныхлабораториях фирмы HYPRES (США) и университетов Чалмерс (Швеция), Илменау(Германия), Нагойя и Йокогама (Япония), SUNY (США) были созданы полные библиотекилогическихэлементовячеекпамяти.Этибиблиотекииспользуютсявсистемахавтоматизированного проектирования больших интегральных схем (например, системыпроектирования, разрабатываемые Cadence Design Systems, Inc.). В каждой из этихбиблиотек логические ячейки описаны схемой, программным кодом, отражающимфизические основы работы ячейки, послойным фотошаблоном и символьным представлениеячейки, включающим в себя все входы и выходы ячейки для создания блок схем на макроуровне.1Достигнутый уровень цифровой сверхпроводниковой электроники характеризуетсозданный группой CONNECT (Cooperation of Nagoya Univ., NEC, CRL, and YokohamaNational Univ.

Team.) RISC микропроцессор CORE1β [2] для которого продемонстрированакорректная работа с тактовой частотой 20 ГГц и минимальный период тактового сигнала36.2 пс (27.6 ГГц) для отдельных частей [3]. Результатом признания крайне высокойперспективности цифровой сверхпроводниковой электроники в США явилось выделение в2007 году бюджетных средств на выполнение проекта по разработке RSFQ суперкомпьютерас тактовой частотой 50 ГГц и процессором, содержащим 1 млн. логических вентилей (на базелаборатории университета Беркли) [4].Использование макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках позволяеттакжесоздаватьвысокочувствительныебыстродействующиеаналого-цифровыепреобразователи (АЦП), а также высокоэффективные цифро-аналоговые преобразователи(ЦАП).Этоделаетосуществляющихвозможнымприем,разработкуобработкуиполностьюпередачуцифровыхсигналовдляустройств,современныхтелекоммуникационных систем в гигагерцовых и выше (десятки ГГц) диапазонах частот.

Вряде таких устройств можно отметить полностью цифровой приемник высокочастотногоаналоговогосигнала,разрабатываемыйвHYPRES[5]cАЦП,максимальнаяпродемонстрированная частота работы которого составила 10.5 ГГц [6].Крайне низкая энергия переключения джозефсоновских элементов, обеспечивающаяпреимущество сверхпроводниковой электроники, одновременно создает значительноепрепятствие для передачи сигналов RSFQ логики в цепи полупроводниковой электроники.Поэтомуисключительноэлектроникиотводитсяважнаярольразработкевразвитиицифровойвысокоэффективныхсверхпроводниковойвыходныхусилителейодноквантовых импульсов (сигналов RSFQ логики). Разные подходы к построению такихинтерфейсов были предложены и экспериментально реализованы в ряде работ. Этоусилители переменного питания [7-10], усилитель, основанный на использовании логическихэлементов [11], усилители на базе умножителей напряжения [12,13], усилители на цепочкахсверхпроводящих квантовых интерферометров [14,15] и некоторые другие.

Однако все этиинтерфейсы обладают теми или иными недостатками, поскольку были разработаны длярешения проблемы сопряжения в конкретных разрабатываемых устройствах. Таким образом,разработка физических основ построения высокоэффективного быстродействующеговыходного усилителя-интерфейса, пригодного для решения различных задач, в настоящеевремя является весьма актуальной.2Цель диссертационной работыЦелью данной работы является исследование физических процессов в усилителесигналов быстрой одноквантовой логики на основе многоэлементных джозефсоновскихструктур, включающих в себя последовательную суммирующую цепочку сверхпроводящихквантовых интерферометров. Данное исследование направлено на разработку физическихоснов нового перспективного типа интерфейса между сверхпроводниковыми устройствамибыстрой одноквантовой логики и полупроводниковой электроникой.Научная новизнаСледующие результаты были получены впервые:1.

Предложен, разработан и экспериментально исследован новый перспективный типвыходного импульсного усилителя для передачи сигналов сверхпроводниковой быстройодноквантовой логики в цепи полупроводниковой электроники. Структура усилителяпозволяет поднимать амплитуду выходного сигнала за счет увеличения числа суммирующихэлементов без ограничения быстродействия и допусков на технологический разброспараметров интегральной схемы.2. Впервые реализован режим усиления сигналов быстрой одноквантовой логики нацепочке сверхпроводящих квантовых интерферометров в резистивном состоянии. Для этойцелибыларазработанаспециальнаятехникамультиплицированияиуширенияусилителяпозволяетодноквантовых импульсов.3. Показано,чторазработанныйпринциппостроениямаксимально поднять предельную частоту следования одноквантовых импульсов дозначения, составляющего 10% – 20% характерной частоты джозефсоновских элементовинтегральной схемы.

В случае ниобиевой технологии джозефсоновских структур сплотностью критического тока jc = 1 кА/см2 предельная частота следования импульсовсоставляет 9 – 18 ГГц и увеличивается соответственно в 2 и 4 раза при переходе натехнологию с плотностью критического тока 4.5 кА/см2 и 20 кА/см2.4. Разработана и оптимизирована топология послойных фотошаблонов интегральнойсхемы для изготовления выходного усилителя на основе ниобиевой технологии сплотностью критического тока jc = 1 кА/см2. Экспериментально продемонстрированоусиление одноквантовых импульсов до уровня 1 мВ на нагрузке 50 Ом при использованииинтегральной схемы с 32-мя суммирующими элементами.Практическая ценность работыВ процессе работы было проведено детальное изучение физических процессовсвязанных с распространением, мультиплицированием, уширением и усилением одиночных3квантовых магнитного потока и соответствующих им одноквантовых импульсов напряженияв многоэлементных джозефсоновских структурах.В результате проведенного исследования был предложен новый тип выходногоусилителя одноквантовых импульсов, отличающегося увеличенным быстродействием ивозможностью свободного масштабирования многоэлементной структуры для получениянеобходимой амплитуды выходного сигнала без существенной деградации характеристикустройства.Выполнена оптимизация всех функциональных частей усилителя.