Logo PTB

Entwicklung von RF-SETs als ultra-sensitive Elektrometer für Einzelelektronenexperimente

27.11.2014

Einzel-Elektronen-Transistoren (Single Electron Transistor, SET) sind hoch empfindliche Elektrometer, die zur Ladungsdetektion eingesetzt werden. Für die Realisierung des Ampere auf Basis von Elementarladungen („Quantenampere“) werden SETs verwendet, um die Fehler von Halbleiter-Einzelelektronenpumpen zu detektieren. Dazu werden die Elektronenpumpen synchron in einer Reihenschaltung betrieben und die SETs an Ladungsinseln zwischen den Pumpen angekoppelt. Wenn nun eine der Pumpen mehr oder weniger als ein Elektron pro Zyklus pumpt, führt dies zu einer Änderung der Ladung auf dieser Insel, was vom SET detektiert wird. Die Detektionsrate des SETs muss größer sein als die Fehlerrate der Elektronenpumpen und limitiert somit die Pumpfrequenz und damit auch den erreichbaren Strom (∙ f). Bisher wurden für diese Untersuchungen DC-SETs verwendet, die durch die Kapazität der Verkabelung auf sehr geringe Frequenzen beschränkt sind (typischerweise kleiner 1 kHz). Um die Detektionsrate des Aluminium SETs auf über 100 kHz zu erhöhen, wird dieser in einen LC-Schwingkreis eingebunden. Dieser Schwingkreis wird in Dünnschicht-Technologie aus Aluminium hergestellt. Detektiert der SET eine Ladungsänderung auf der Pumpinsel, ändert sich seine Impedanz und damit auch die Dämpfung des angeschlossenen Schwingkreises, was durch eine entsprechende Hochfrequenzschaltung ausgewertet werden kann. Schaltet man mehrere RF-SETs mit verschiedenen Resonanzfrequenzen parallel, kann man ein Frequenzmultiplexing erreichen. Für eine möglichst gute Kopplung der SETs an die Ladungsinseln und die Minimierung von Störeinflüssen ist es sinnvoll, die Pumpen, die SETs und die Schwingkreise möglichst auf einem Chip zu integrieren. Aufgrund der geringen Ausbeute bei den einzelnen Bauteilen werden jedoch die Schwingkreise momentan noch auf einem separaten Chip gefertigt. In Bild 1 ist eine erste Messung an einem RF-SET dargestellt. Aufgrund hoher parasitärer Kapazitäten ist das Signal-Rausch Verhältnis dieser Messung noch nicht ausreichend für den parallelen Betrieb mit den Elektronenpumpen. Dennoch zeigen erste Messungen (siehe Bild 1) die für einen supraleitenden SET zu erwartenden charakteristischen Coulomb-Rauten. Für die Minimierung der parasitären Kapazitäten wird zurzeit ein neues Probenlayout entwickelt.

Bild 1: RF-SET Kennlinienschar in Abhängigkeit von Source-Drain- und Gatespannung. Der Schwingkreis hat eine Resonanzfrequenz von 358 MHz. Die Messung, die bei einer Temperatur von 10 mK (Basistemperatur des Kryostaten) durchgeführt wurde, zeigt eine deutliche Coulomb-Blockade sowie Coulomb-Rauten und die erwartete periodische Gatespannungs-Abhängigkeit.

 

 

 

 

Ansprechpartner: D. Reifert
Fachbereich 2.4: Quantenelektronik