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Fünffachgestapelte Josephson-Kontakte für das pulsgetriebene AC-Spannungsnormal

30.11.2021

Um die Integrationsdichte und somit die Ausgangsspannung des pulsgetriebenen Josephson-Spannungsnormals zu erhöhen, wurde die Herstellungstechnologie für die Schaltungen in der PTB so weiterentwickelt, dass nun bis zu fünf Josephson-Kontakte übereinandergestapelt werden können. Die Ausbeute dieses komplexen Herstellungsprozesses konnte durch Anwendung neuer Technologien deutlich erhöht werden.

 

 

 

Das pulsgetriebene Josephson-Wechselspannungsnormal, auch als „Josephson-Arbitrary Waveform-Synthesiser“ (JAWS) bezeichnet, ermöglicht die Erzeugung beliebiger spektral reiner Wellenformen. Wesentliche Komponente des JAWS sind supraleitende Mikrochips mit Reihenschaltungen aus SNS-Josephson-Kontakten (SNS: Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter), die im Reinraumzentrum der PTB aus Niob mit Barrieren aus NbxSi1-x in einem modifizierten Fensterprozess hergestellt werden.


Die stabilen und reproduzierbaren Abscheidebedingungen im Mehrkammer-Cluster-Sputter-System der PTB ermöglichen die Herstellung großer Serienschaltungen mit angepassten und wohldefinierten Schichtdicken mit bis zu fünffach gestapelten Josephson-Kontakten, was die Integrationsdichte pro Chip deutlich erhöht. Für die Herstellung von Multilagen-Sandwich-Strukturen werden 12 Schichten in-situ abgeschieden, und insgesamt 16 Schichten werden für eine vollständige Schaltung benötigt (siehe Bild).


Der Herstellungsprozess der PTB basiert auf Elektronenstrahl-Lithografie und Plasma-Ätztechnologien wie ICP-RIE. Durch Einsatz neuer Technologien wie der „Atomic Layer Deposition“ (ALD) und des „Chemical Mechanical Polishing“ (CMP) wurde die Herstellungsausbeute nun deutlich erhöht. Somit konnten bis zu 30 000 Josephson-Kontakte auf einem Chip der Fläche 10 mm x 10 mm in zwei unabhängigen Hochfrequenz-Schaltungen integriert werden. Dadurch ist es nun möglich, eine Ausgangsspannung von 0,5 VRMS (bzw. 0,7 VPeak) pro JAWS-Chip zu erreichen [1].

 

 

Bild 1: REM-Aufnahme eines vertikalen Schnittes durch eine Serienschaltung mit fünffach gestapelten Josephson-Kontakten (Falschfarbendarstellung). Die Höhe der Kontaktstapel beträgt etwa 800 nm und die Gesamthöhe aller Schichten knapp 3 µm.

 

 

 

Publikation:
[1] O. Kieler, et al., „Opens external link in new windowStacked Josephson Junction Arrays for the Pulse-Driven AC Josephson Voltage Standard”, IEEE Trans. Appl. Superc. 31 (5), 2021

 

 

 

 

Opens internal link in current windowFachbereich 2.4 „Quantenelektronik“