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Optimierte programmierbare Spannungsnormal-Schaltungen als Ziel eines MNPQ-Projekts

26.11.2010

Binär geteilte Reihenschaltungen aus überdämpften Josephson-Tunnelkontakten sind das Herzstück programmierbarer Josephson-Spannungsnormale. Die überdämpften Josephson-Kontakte lassen sich dabei mit unterschiedlichen Materialien für die Tunnelbarriere realisieren. Bereits seit einigen Jahren werden an der PTB Kontakte mit einer Schichtenfolge Supraleiter-Isolator-Normalleiter-Isolator-Supraleiter (SINIS) erfolgreich hergestellt. Um programmierbare Josephson-Schaltungen einem breiteren Nutzerkreis zugänglich zu machen, sollen nun im Rahmen eines MNPQ-Projekts gemeinsam mit der Firma Supracon AG in Jena die Schaltungen weiter verbessert und die Ausbeute bei der Herstellung erhöht werden. Hierzu werden an verschiedenen Stellen das Design und die Technologie optimiert, um damit Grundlagen zu schaffen, aus diesen Schaltungen ein kommerzielles Produkt zu entwickeln.
Zum Aufbringen der SINIS-Schichten wird an der PTB in Braunschweig eine neue Beschichtungsanlage eingesetzt. Nach Vorversuchen zur Bestimmung der wesentlichen Parameter wurden zunächst 1-Volt-Schaltungen zu Testzwecken hergestellt. 8192 SINIS-Kontakte in einer binären Teilung sind dabei in 64 parallelen Mikrostreifenleitungen integriert. Das Bild zeigt die Kennlinie einer solchen Schaltung, die bereits ein perfektes Verhalten aufweist: Die Streuung des kritischen Stroms der einzelnen Kontakte ist sehr gering. Bei Einstrahlung von 70-GHz-Mikrowellen bilden sich breite Stufen konstanter Spannung aus. Wegen der gleichmäßigen Kontakt-Eigenschaften lässt sich die Mikrowellen-Leistung in der Schaltung so einstellen, dass die nullte und die erste Stufe die gleiche Breite zeigen, was für Anwendungen von Bedeutung ist. Nach diesen viel versprechenden Ergebnissen wurde mit der Herstellung erster 10-Volt-Schaltungen begonnen. Diese Schaltungen bestehen aus fast 70.000 SINIS-Kontakten, die in 128 parallelen Mikrostreifenleitungen integriert sind. Erste funktionsfähige Schaltungen zeigen Stufen konstanter Spannung bis 10 V, allerdings beobachten wir auch an diesen Schaltungen die seit längerem bekannten Probleme großer Reihenschaltungen aus SINIS-Kontakten: Einzelne Kontakte werden während der Herstellung geschädigt, was sich in mehr oder weniger erhöhten Werten des kritischen Stroms bis hin zum supraleitenden Kurzschluss zeigt. Dies führt zum Ausfall einzelner Kontakte oder in ungünstigen Fällen dazu, dass die Stufen konstanter Spannung nicht mehr flach sind, womit eine Schaltung unbrauchbar ist. Da inzwischen neben den empfindlichen SINIS-Kontakten auch robustere Kontakte mit einer NbSi-Barriere gefertigt werden können, sollen für optimierte 10-Volt-Schaltungen die robusteren NbSi-Barrieren eingesetzt werden.

 

 

Bild: Strom-Spannungs-Kennlinie einer 1-Volt-Schaltung aus 8192-SINIS-Kontakten bei Einstrahlung von 70-GHz-Mikrowellen (links). Das rechte Bild zeigt eine Stufe konstanter Spannung bei etwa 1,1 V mit hoher Auflösung.

 

 

 

Ansprechpartner: Johannes Kohlmann
Fachbreich 2.4:    Quantenelektronik