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Fabrikationstechnologie von S-I-N Kontakten

30.12.2005

Die Rapid Single Flux Quantum (RSFQ)-Logik wird als viel versprechender Bestandteil von Josephson-Schaltungen zur Quanteninformationsverarbeitung angesehen. Auf der Basis überdämpfter Josephsonelemente eignen sich RSFQ-Schaltungen grundsätzlich für effiziente Kontrolle und Auslesen von Quanten-Bit (Qubit) Zuständen. Dabei sind geeignete Werte der Überdämpfung der Kontakte durch extern geführte normalleitende Widerstandsshunts gezielt einzustellen. In einem solchen Falle besteht Kopplung zwischen der RSFQ-Schaltung und dem Qubit derart, dass eine aktive Schaltungsumgebung gebildet wird, die wie ein klassischer kryogener Computer operiert. Jedoch erzeugen die Shuntwiderstände der Josephsonelemente Stromfluktuationen, die zu signifikanter Dekohärenz des Qubits beitragen, selbst im passiven (supraleitenden) Zustand der Josephsonelemente. Ein Erfolg versprechendes Verfahren zur Reduzierung dieser Fluktuationen, und damit zur Erhöhung der Kohärenzzeit des Qubits, besteht in der Verwendung nicht-linearer, frequenzabhängiger Elemente als Kontaktshunts. Als geeignete Shunts können Supraleiter-Isolator-Normalleiter (SIN)-Tunnelkontakte eingesetzt werden, die meistens ein großes Verhältnis im Widerstand bei spannungslosem Zustand zum Widerstand bei hoher Biasspannung, r = R(0)/R(∞), aufweisen. Im Gegensatz zu üblicherweise bei Mikrowellen- und Thermometrie-Abwendungen eingesetzten SIN-Kontakten sollten für RSFQ-Schaltungsanwendungen diese Kontakte eine um zwei bis drei Größenordnungen höhere Transparenz der Tunnelbarriere, und somit einen sehr niedrigen spezifischen Widerstand r (pro Einheitsfläche) von etwa ρ ∼ 20 Ω•µm2 haben. Die Werte des Qualitätsparameters r sollten dabei hinreichend hoch (größer als 10 - 100) sein.

Wir entwickelten zwei Technologien zur Fabrikation solcher Kontakte: in Multilayer-Technologie mit Nb, Al, AuPd sowie in Schattenbedampfungs-Technologie mit Al und Cu. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen sind in den Daten von Bild 1 zusammengestellt. Man erkennt, dass die besten Nb-basierten Proben für r sehr hohe Werte bei gleichzeitig niedriger Transparenz der Barriere (ρ ∼ 150 Ω•µm2) aufweisen, während Al-Cu Proben noch brauchbar gute Werte für r bei sehr hoher Transparenz der Barriere (ρ ∼ 11 - 15 Ω•µm2) annehmen. Die Parameter der letztgenannten Proben eignen sich gut für RSFQ-Qubit Anwendungen. Auf der nächsten Entwicklungsstufe wird die Implementierung hybrider SIS + SIN Schaltungen angestrebt.


Bild 1: Temperaturabhängigkeit des Widerstandsverhältnisses r = R(0)/R(∞) für Proben, die aus verschiedenen Paaren von Supraleitern (Nb und Al) und normalleitenden Materialien (Al, AuPd und Cu) mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen ρ der Tunnelbarriere hergestellt wurden. Die obere Skala bezieht sich auf Nb, und die untere Skala auf Al.