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Multilagen-Sandwich

Gestapelte Josephson-Kontakte für das pulsgetriebene Quanten-Spannungsnormal

PTB News 2.2021
26.03.2021
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Pulsgetriebene Josephson-Wechselspannungsnormale (Josephson Arbitrary Waveform Synthesizers, JAWS) ermöglichen es, quantisierte Wechselspannungen mit beliebigen und spektral reinen Wellenformen zu synthetisieren. In der PTB wurde ein pulsgetriebenes Josephson-Normal zur Erzeugung von Wechselspannungen mit Serienschaltungen realisiert, die auf Stapeln von bis zu fünf Josephson-Kontakten beruhen. Durch die neue Technologie wurde die Integrationsdichte der Schaltungen und damit deren Ausgangsspannung deutlich erhöht: Mit bis zu 30 000 Kontakten pro Chip kann nun eine Effektivspannung von 0,5 V RMS (0,7 V Peak) erzeugt werden. Die Ausbeute im Herstellungsprozess wurde durch diverse Anpassungen deutlich erhöht.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Serienschaltung mit 5-fach gestapelten Josephson-Kontakten (vertikaler Schnitt). Die Höhe der Kontaktstapel beträgt etwa 800 nm, die Gesamthöhe aller Schichten knapp 3 μm.

Pulsgetriebene Josephson-Wechselspannungsnormale ermöglichen eine Vielzahl metrologischer Anwendungen und basieren auf Reihenschaltungen supraleitender Josephson-Kontakte, wie sie im Reinraumzentrum der PTB hergestellt werden. Perspektivisch soll die Ausgangsspannung auf Werte zwischen 7 V bis 10 V erhöht werden, um das Spektrum möglicher Anwendungen weiter zu erhöhen.

Um dies zu erreichen, soll u. a. die Integrationsdichte der Josephson-Kontakte auf den Chips erhöht werden. Da die Kontakte in eine Hochfrequenz-Struktur (einen koplanaren Wellenleiter) integriert sind, gibt es Einschränkungen bei der Erhöhung der Länge der Serienschaltung. Zur Erhöhung der Kontaktzahl pro Chip wurde daher eine vertikale Stapelung der Kontakte vorgenommen, was durch die Materialschicht-Kombination der Josephson-Kontakte (bestehend aus Nb und Si) technologisch möglich war.

Nach diversen Modifikationen und Erweiterungen des in der PTB genutzten Standardprozesses basierend auf Elektronenstrahl-Lithografie ist es nun gelungen, bis zu 5-fach gestapelte Josephson- Kontakte mit einer hohen Prozessausbeute herzustellen. Zwei wesentliche Prozess-Erweiterungen sind hier besonders erwähnenswert: Zum einen wurde zur Planarisierung der Schaltungsoberflächen ein chemisch-mechanisches Polierverfahren eingeführt. Dadurch können die nachfolgenden supraleitenden Schichten mit hoher Qualität (hoher supraleitender Stromtragfähigkeit) aufgebracht und anschließend strukturiert werden. Zum anderen wurde in Zusammenarbeit mit dem IPHT Jena mittels Atomlagenabscheidung (Atomic Layer Deposition, ALD) eine isolierende Siliziumoxidschicht zwischen den elektrisch leitenden Strukturen aufgebracht. Im Gegensatz zu den Siliziumoxid-Isolationsschichten, die bislang in der PTB mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung hergestellt wurden, bieten ALD-Schichten den Vorteil der perfekten Kantenbedeckung zur Kantenisolation auch bei extremen Aspektverhältnissen, wie sie bei 5-fach gestapelten Kontaktschaltungen vorliegen.

Zukünftig wird die PTB auch im eigenen Reinraumzentrum über ALD-Technologie verfügen. Insgesamt umfasst der komplexe Herstellungsprozess, bei dem 30 000 Josephson- Kontakte auf einem Chip mit einer Fläche von (10 × 10) mm2 integriert werden, die Abscheidung von 16 Schichten in etwa 40 einzelnen Prozessschritten.

Ansprechpartner

Oliver Kieler
Fachbereich 2.4
Quantenelektronik
Telefon: (0531) 592-2410
Opens local program for sending emailoliver.kieler(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

O. Kieler, R. Wendisch, R. Gerdau, T. Weimann, J. Kohlmann, R. Behr: Stacked Josephson junction arrays for the pulse-driven AC Josephson voltage standard. Eingereicht bei IEEE Trans. Appl. Supercond. (2020)