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Verbesserungen der Technologie und Optimierung des Designs für programmierbare 10-V-SINIS-Josephson-Schaltungen

Kategorien:
  • Abteilung 2
  • Metrologie für die Wirtschaft
  • Wissenschaft
  • Wirtschaft
30.12.2005

Zur Verbesserung der Wechselspannungs-Präzisionsmesstechnik sind programmierbare 10-V-Josephson-Schaltungen besonders erwünscht. Für die Erzeugung und Messung von elektrischen Spannungen bis 10 V werden etwa 70.000 Josephson-Kontakte benötigt, die bei einer Mikrowellen-Frequenz von etwa 70 GHz betrieben werden.

Ein fundamentales Problem der bislang hergestellten 1-V und 10-V-Schaltungen sind eine geringe Zahl (ca. 1 ‰) von kurzgeschlossenen Kontakten bzw. von Kontakten mit einer gegenüber dem Durchschnitt um den Faktor 2 bis 5 erhöhten Stromdichte. In diesen Fällen ist es fast unmöglich, einen Arbeitspunkt auf der Strom-Spannungskennlinie des Arrays zu definieren, für den alle Einzelkontakte unter Mikrowelleneinstrahlung eine quantisierte Spannung (Shapirostufe) ausbilden. Dieses Problem konnte gelöst werden, indem ein entscheidender technologischer Schritt bei der Strukturierung der Kontakte modifiziert wurde: Das Entfernen der beiden dünnen AlOx-Barrieren, einschließlich der dazwischen liegenden Al-Schicht (ca. 10 nm dick) erfolgt nun komplett durch Ätzen mit einem weitgehend neutralisierten Ar-Ionenstrahl unter einem Einfallswinkel von 85°. Um die unvermeidliche Redeposition von Al an Lackkanten (ca. 1,5 µm hoch!) zu vermeiden, wurde dabei auf eine Lackmaskierung gänzlich verzichtet und statt dessen eine 30 nm dicke SiO2-Opferschicht auf der obersten Nb-Elektrode verwendet. Der dünne SiO2-Film wird dabei zuvor quasi als Schlußpunkt der Trilayerherstellung mittels PECVD ganzflächig abgeschieden und gemeinsam mit der oberen Nb-Elektrode unter Verwendung einer Lackmaske strukturiert. Um die Redeposition von Al beim Trockenätzen zu minimieren, erfolgte bislang das Entfernen des Al/AlOx/Al/AlOx/Al-Schichtsystems durch eine Kombination von Naß- und Trockenätzen in einem HF-Argon-Plasma bei Biasspannungen von ca. -650 V. Wir glauben, daß ein solcher Technologieschritt, möglicherweise durch die Kombination von Unterätzen und spannungsinduzierter Schädigung, die Anzahl der Löcher (pinholes) in den extrem dünnen (1 nm) AlOx-Barrieren einzelner Kontakte drastisch erhöhen kann. Daraus resultieren die beobachteten erhöhten Stromdichten bzw. im Extremfall Kurzschlüsse.

Für die Herstellung von 10-V-Schaltungen ist neben einer zuverlässigen Technologie auch ein optimales Mikrowellendesign notwendig. Zu diesem Zweck werden gegenwärtig mit Hilfe von 1-V-Schaltungen, die "nur" ca. 8000 Josephsonkontakte enthalten, die entscheidenden Design-Parameter, wie Kontaktfäche, Anzahl der Kontakte pro Kette, Anzahl der parallel geschalteten Ketten und Abstand der Ketten getestet.

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