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Programmierbare 10 V SNS Spannungsnormale für 70 GHz mit hochohmigen NbxSi1-x Josephson Barrieren

05.12.2007

Programmierbare Josephson Spannungsnormale (PJVS) sind heute neben dem Impuls-getriebenen Spannungsnormal (JAWS) die wichtigste Säule der modernen Spannungs-Metrologie im Wechselspannungsbereich. Obwohl ihr Einsatzgebiet wegen der unvermeidlichen, Nanosekunden-schnellen Schalttransienten beim Übergang zwischen verschiedenen Josephson-Spannungsniveaus auf Frequenzen < 1 kHz beschränkt ist, erschließen zur Zeit nur sie den Spannungsbereich bis 10 V. Die bisher von der PTB hergestellten 10V-PJVS basieren auf einer Reihenschaltung von ca. 70 000 SINIS Josephson-Kontakten (S=Supraleiter, N=Normalmetall, I=Isolator). Deren Herstellung erfolgt jedoch mit sehr geringer Ausbeute. Hauptursache dafür sind Plasma-induzierte Schädigungen der beiden extrem dünnen (2 nm) AlOx-Isolatoren, die zu singulär erhöhten kritischen Strömen und damit zum Ausfall von etwa 0,01% der Kontakte führen. Wesentlich stabiler und im Prozess unempfindlicher sind dagegen SNS-Josephson-Kontakte. Deren Einsatz war bisher materialbedingt nur bei „kleinen“ Frequenzen (z.B. 15 GHz) möglich, was einen erheblichen technologischen Aufwand bedeutet, denn damit sind mehr als 300000 Josephson Kontakte erforderlich um 10 V zu erreichen. Erstmalig gelang es nun in Kooperation mit dem NIST (Boulder, USA) 10-Volt PJVSs auf SNS-Basis für den Betrieb bei 70 GHz zu realisieren. Möglich wurde dies durch die Verwendung von co-gesputterten amorphen NbxSi1-x Normalmetall-Barrieren (10 nm dick), die durch Variation des Nb-Anteils x exakt auf die Treiberfrequenz abgestimmt werden können. Während das NIST die auf oxidierte Si-Wafer deponierten Nb/NbxSi1-x/Nb Dreifach-Lagen (‚Trilayer’) optimierte, erfolgten die weiteren Prozessschritte und der metrologische Test der Schaltungen an der PTB. Erfreulicherweise ist nicht nur die Ausbeute der neuen 10V-SNS PJVS besser, sondern auch die Leistungsparameter übertreffen die der entsprechenden SINIS-Schaltungen deutlich.

Bild 1:
Programmierbare 10-Volt Schaltung bestehend aus 69 632 SNS Josephsonkontakten mit co-gesputterten NbxSi1-x-Barrieren

Bild 2:
Strom-Spannungskennlinie einer programmierbaren 10-Volt Schaltung, die aus 69632 SNS in Reihe geschalteten Josephsonkontakten besteht. Das kleine Bild zeigt mit hoher Auflösung die 10-Volt Stufe, die durch Mikrowelleneinstrahlung bei 71,28 GHz erzeugt wird.