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Ultrahochohmige Mikrostreifenwiderstände aus TiOx für den Einsatz in Coulomb-Blockade-Schaltungen

21.11.2013

In Einzelelektronen-Transportschaltungen stellen hochohmige Dünnschichtwiderstände ein wichtiges Schaltungselement dar. Sie werden direkt an die Tunnelkontakt-Reihenschaltungen (z.B. sogenannte R-Pumpen oder R-Fallen) angeschlossen und sind für eine Unterdrückung von Quantenlecks beim Einzelelektronentransport von großer Bedeutung. Die entscheidende Rolle für eine hohe Effizienz spielt der Realteil der Impedanz bei Frequenzen um 10…100 GHz. Dort ist die Photonenenergie von gleicher Größenordnung wie typische Coulomb-Barrierenhöhen. Liegt die Impedanz deutlich über dem Widerstandsquantum
RQ ≈ 25,8 kΩ, verstärken die Widerstände die Coulomb-Blockade des Tunnelns, und damit verbessert sich die Präzision des Ladungstransports.

Im Zusammenspiel mit seiner Streukapazität, typischerweise 60 aF/µm, bildet der Dünnschichtwiderstand eine gedämpfte RC-Leitung, deren Eckfrequenz mit zunehmender Resistivität des Materials steigt. Bisherige Schaltungen wurden mit hochohmigen Mikrostreifen aus teilweise oxidiertem Chrom realisiert, dessen grobkörnige Struktur aber nur einen flächenbezogenen Widerstand von höchstens 1 kΩ bis 1,5 kΩ erlaubt, bevor der Mikrostreifen zum Isolator wird. Berechnungen zufolge reicht die hochohmige Impedanz solcher Mikrostreifen-Leitungen aus Cr bis zu Frequenzen von ca. 10-30 GHz, deckt also den Bereich bis 100 GHz nur unvollständig ab.

Anstelle von Cr-Widerständen wurden jetzt Schichten aus Titan eingesetzt (s. Abb.1), dessen Widerstand ebenfalls durch Beimischen von Sauerstoff-Gas während des Aufdampfens erhöht wurde. Abbildung 2 zeigt die Erhöhung des Widerstands mit steigendem Sauerstoffdruck PO2. Gemessen wurden flächenbezogene Widerstände bis zu 7 kΩ , die hochohmige Impedanz wäre damit bis
 ˜ 160 GHz wirksam. (Als
Berechnungsgrundlage wurde ein Mikrostreifen-Gesamtwiderstand R0 = 100 angenommen.) Als weitere Vorteile von Titan-Widerständen zeigten sich eine sehr effiziente thermische Elektron-Phonon Ankopplung, die das thermische Eigenrauschen des Bauelementes  minimiert, und eine hohe Linearität der Strom-Spannungs-Kennlinien.

Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in S.V. Lotkhov, Nanotechnology, vol. 24 (2013) p. 235201.

 

Bild 1: Rasterelektronmikroskopische Abbildung der Schaltung zur Untersuchung des Mikrostreifenwiderstandes einer Schicht aus Titan mit einer Dicke von 10 nm

 

 

Bild 2: Widerstand von Ti-Schichten in Abhängigkeit vom Sauerstoffdruck während des Aufdampfens, gemessen bei Raumtemperatur oder bei tiefen Temperaturen zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach der Herstellung

 

 

 

 

Ansprechpartner: S. Lotkhov
Fachbereich 2.4:  Quantenelektronik