09.11.2012
Nachdem in den vergangenen beiden Jahren die Nb-NbxSi1-x-Nb-Technologie erfolgreich an der PTB etabliert und zur Herstellung von qualitativ hochwertigen 10-Volt-Schaltungen für das PJVS genutzt wurde, gelang es nun erstmalig, auf der Basis von zweifach gestapelten (double stacks) Josephsonkontakten auch 20-Volt-Schaltungen herzustellen. Ein anisotroper ICP-Trockenätzprozess der Nb-Elektroden und der NbxSi1-x-Tunnelbarriere unter Verwendung von SF6 sowie optimierte Abscheidebedingungen für das fünflagige Schichtsystem schufen die dafür nötigen technologischen Voraussetzungen.
Dämpfungsmessungen an speziellen Testschaltungen hatten gezeigt, dass die Zweifach-Stapelung zur Verdopplung der Kontaktzahl die Mikrowellendämpfung in “aktiven“ Mikrostreifenleitungen (dc-Biasstrom größer als der kritische Supraleitungsstrom der Josephsonkontakte) nur um ca. 25% erhöht. Voraussetzung dafür ist eine hinreichend kleine Streuung
(< 5%) der elektrischen Parameter für die obere und untere Kontaktebene. Bei gleichzeitig kleiner Dicke der Nb-Zwischenelektrode (≤ 50 nm) wird dadurch eine weitgehende Synchronisation der emittierten Josephsonstrahlung und damit eine hinreichend große Strombreite der Shapiro-Stufen ermöglicht. Das bisher erfolgreich verwendete 10-V-Design konnte somit auch für die Herstellung der 20-Volt-Schaltungen verwendet werden.
Eine Differenzmessung mit zwei in Serie geschalteten Zener-Dioden ermöglichte es, die 20-V-Stufe einer Schaltung mit hoher Auflösung zu messen und damit zu demonstrieren, dass die Stufenbreite mit 0,7 mA nur geringfügig kleiner ist als die einer entsprechenden 10-Volt-Schaltung (Bild). Ein Einsatz der Schaltung für metrologische Wechselspannungs-Anwendungen ist damit ohne Probleme möglich.
Die binäre Teilung der 20-Volt-Schaltung gestattete erstmalig auch einen On-Chip Vergleich zwischen zwei 10-V-Arrays, repräsentiert durch die beiden Hälften der Schaltung. Unter Verwendung eines bei Raumtemperatur betriebenen Nulldetektors konnte gezeigt werden, dass die Spannungen beider 10-V-Stufen innerhalb einer relativen Abweichung von 5 ± 7⋅10-11 übereinstimmen. Damit werden neue Anwendungen möglich, z. B. Linearitätsmessungen von Digitalvoltmetern mit Messbereichen bis 20 V oder die Synthese von 10 Vrms-Signalen.
Bild: Strom-Spannungskennlinie einer 20-Volt-Schaltung mit 139 264 Nb-NbxSi1-x-Nb-Josephsonkontakten (realisiert durch Zweifach-Stapel) ohne und mit Einstrahlung von 70-GHz-Mikrowellen. Durch einen Vergleich mit zwei in Serie geschalteten Zener-Dioden konnte die 20-V-Stufe in hoher Auflösung dargestellt werden (s. Inset).
Ansprechpartner: F. Müller
Fachbereich 2.4: Quantenelektronik