28.11.2016
Um die Komplexität pulsgetriebener 1 V Josephson-Schaltungen zu verringern, wurden erstmals 4-fach gestapelte Kontakte und längere Ketten eingesetzt. Dadurch konnte die Anzahl der Josephson Kontakte auf 14 000 pro Schaltung erhöht werden. Es wurden 4 statt 2 Schaltungen pro Chip integriert. In einem ersten Test wurde auf einem Chip mit 41 600 Kontakten eine Ausgangsspannung von mehr als 0,5 V RMS erzeugt.
Das pulsgetriebene Josephson-Wechselspannungsnormal ermöglicht die Erzeugung beliebiger spektral reiner Wellenformen. Es wird auch als Josephson Arbitrary Waveform Synthesiser, JAWS bezeichnet. Wesentliche Komponente eines JAWS sind Reihenschaltungen aus SNS-Josephson-Kontakten (SNS: Supraleiter-Normalleiter-Supraleiter), die im Reinraumzentrum der PTB aus Niob mit Barrieren aus NbxSi1-x in einem Fenster-Prozess hergestellt werden.
Die extrem stabilen und reproduzierbaren Abscheidebedingungen ermöglichen angepasste und wohldefinierte Dicken der einzelnen Schichten, wodurch erstmals große Serienschaltungen von vierfach gestapelten Josephson-Kontakten erfolgreich hergestellt werden konnten (siehe Bild 1). Um dieses Ziel zu erreichen, wurde der Herstellungsprozess mit nun insgesamt 13 Schichten auf die enorme Stapelhöhe an mehreren Punkten angepasst. Durch gleichzeitige Erhöhung der Zahl der Josephson-Stapel konnten nun bis zu 14 000 Kontakte pro Schaltung integriert werden, statt wie bisher 9000. Somit konnte bei 2 Schaltungen pro Chip, also 28 000 Kontakten, bereits eine Spannung von > 0,4 V RMS mit hoher spektraler Reinheit von 120 dBc synthetisiert werden (Bild 2a).
Um die Integrationsdichte weiter zu erhöhen, wurden in einem ersten Test vier Schaltungen auf einem anderen Chip integriert und on-chip supraleitend in Serie geschaltet. Somit konnten pro Chip 41 600 Kontakte untergebracht und eine Ausgangspannung von > 0,5 V RMS erreicht werden. Das Signal-Rausch-Verhältnis blieb jedoch auf Werte von 110 dBc beschränkt (Bild 2b), da ein hochfrequentes Übersprechen auf dem Chip festgestellt wurde, das beim Betrieb der einzelnen Schaltungen nicht auftrat. Durch weitergehende Design-Optimierung soll dieses Übersprechen in Zukunft verringert werden.
Die geschilderten Maßnahmen sollen dazu führen, die Komplexität des 1 V JAWS-Systems in Zukunft zu verringern, in dem dann nur noch 2 statt wie bisher 4 Chips zum Einsatz kommen sollen und somit in der Summe auch weniger als 8 Schaltungen benötigt würden.
Bild 1: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der vierfach gestapelten SNS-Kontakte mit insgesamt 10 Schichten (inkl. einer Al2O3 Ätzstopp-Schicht) pro Stapel nach dem 1. Prozessschritt.
Bild 2: Frequenz-Darstellung einer synthetisierten Sinuswelle. Bild 2a (oben) zeigt die Serienschaltung von 2 Schaltungen mit 28 000 Kontakten und einer Spannung von 414 mV (RMS) und einer Frequenz von 93,33 Hz. Bild 2b (unten) zeigt die Serienschaltung von 4 Schaltungen mit 41 600 Kontakten und einer Spannung von 510 mV (RMS) und einer Frequenz von 1750 Hz.