27.11.2017
Um die Komplexität pulsgetriebener Josephson-Schaltungen zu verringern, wurden erstmals 5-fach gestapelte Kontakte eingesetzt. Dadurch konnte die Anzahl der Josephson Kontakte auf 30.000 pro Chip (mit 2 Schaltungen pro Chip) erhöht werden, was eine Ausgangsspannung von mehr als 0,5 VRMS von einem Chip ermöglicht.
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.
Erstmals wurden große Serienschaltungen von bis zu 5-fach gestapelten Josephson-Kontakten erfolgreich hergestellt.
Um dieses Ziel zu erreichen, wurde der anspruchsvolle Herstellungsprozess mit nun insgesamt 15 Schichten und der großen Kontakt-Stapelhöhe von fast 800 nm an mehreren Punkten angepasst. Der Prozess der Herstellung dieser 3D-Struktur gliedert sich in 6 Haupt-Schritte, die sich in insgesamt ca. 40 Einzelschritte aufteilen. Durch die große Homogenität und Reproduzierbarkeit der Schicht-Abscheidung und der Ätzprozesse ist diese Stapelung überhaupt erst möglich. Die bisher erreichte Schaltungsausbeute (z.Z. ca. 20%) erfordert jedoch noch weitere Optimierungen des Prozesses.
Das Bild 1 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme (links) eines einzelnen Kontakt-Stapels nach dem zweiten Prozessschritt und die schematische Darstellung der Schichtfolge (rechts).
Auf einem Chip mit zwei Serienschaltungen konnten insgesamt 30.000 Josephson-Kontakte integriert werden. Somit konnte mit einem Chip bereits eine Spannung von mehr als 0,5 V RMS synthetisiert werden (Bild 2). Aufgrund von HF-Übersprechen erkennt man deutlich auch höhere Harmonische - das Signal-Rausch-Verhältnis ist mit 116 dBc aber dennoch sehr gut.
Durch diese Erhöhung der Ausgangsspannung pro Chip bietet sich perspektivisch die Möglichkeit, die metrologisch wichtige Spannung von 1 VRMS mit nur zwei Chips zu realisieren (statt wie bisher mit vier Chips). Dies vereinfacht den experimentellen Aufbau erheblich und sorgt für eine enorme Kostensenkung.
Bild 1: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der 5-fach gestapelten SNS-Kontakte mit insgesamt 12 Schichten (inkl. einer Al2O3 Ätzstopp-Schicht) nach dem zweiten Prozessschritt (links) und schematische Darstellung der Schichtenfolge (rechts).
Bild 2: Frequenz- und Zeit-Darstellung einer synthetisierten Sinuswelle mit einer Spannung von 513 mV RMS bzw. 1,45 VPeak-Peak und einer Frequenz von 1625 Hz. Diese Wellenform wurde mit einer Serienschaltung von nur zwei Schaltungen auf einem Einzelchip mit insgesamt 30.000 Kontakten generiert.