25.11.2015
HF-Reflexionsmessungen an einem supraleitenden Einzelelektronentransistor (SET) ermöglichen eine sensitive Ladungsdetektion einzelner Elektronen, die von einer Einzelelektronenquelle emittiert werden.
Die PTB entwickelt ein Quantennormal für die Darstellung des Ampere, das auf dem Transport einzelner Elektronen mit präzise einstellbarer Frequenz beruht. Die Präzision dieser Halbleiter-Einzelelektronenquelle lässt sich in situ mit Hilfe einer Ladungsmessung verifizieren. Mehrere Quellen werden hierzu in Serie hintereinandergeschaltet. Fehlerereignisse führen dann zu einer Änderung der Ladung der zwischen den Quellen liegenden Inseln. Diese Ladungsänderungen der Insel können mit Einzelelektronenauflösung mit Hilfe eines auf dem Halbleiterchip integrierten supraleitenden Einzelelektronentransistors gemessen werden. Für eine präzise Messung der Ladungsfehlerrate ist eine schnelle Erfassung des Detektorsignals notwendig, um auch kurzzeitig auftretende Fehlerereignisse erfassen zu können.
Die Bandbreite der Fehlerdetektion lässt sich mit einer RF-Reflexionsmessung entscheidend verbessern. Hierbei wird der Ladungsdetektor zusätzlich in einen supraleitenden Schwingkreis integriert. Die Dämpfung des reflektierten Signals hängt von der Leitfähigkeit des SETs ab, die wiederum empfindlich auf die Präsenz von zusätzlichen Elektronen auf der Halbleiterinsel reagiert. Das Detektorsignal lässt sich dann mit Tieftemperaturelektronik rauscharm verstärken.
Die Integration eines RF-SETs und die Detektion einzelner Elektronen konnte nun demonstriert werden. Eine Halbleitereinzelelektronenpumpe lädt dazu kontrolliert eine Ladungsinsel. Die Abbildung zeigt das Signal der Reflexionsmessung. Die auftretenden Stufen kennzeichnen das Laden weiterer Elektronen auf die Insel. Durch die kapazitive Kopplung folgt das Signal dabei der periodischen Kennlinie des SETs. Im Bereich höchster Sensitivität kann so eine Ladungsdetektion mit großer Bandbreite realisiert werden.
Bild
Links: Integration einer Serienschaltung aus drei Halbleitereinzelelektronenquellen, vier Einzelelektronentransistoren und vier Resonatoren auf zwei zusammengesetzten Chips.
Rechts: Demonstration der Einzelelektronendetektion. Das Reflexionssignal zeigt Stufen, die einzelnen Elektronen entsprechen, die von der Elektronenquelle auf die Ladungsinsel transferiert werden.