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Arbeitsgruppe 2.41: Untersuchung von normal- und supraleitenden Schaltungen auf der Basis metallischer Strukturen

Entwurf von Josephson-Schaltungen

Arbeitsgruppe 2.41

Profil

Unsere Arbeitsgruppe entwickelt Designs und Layouts für verschiedene Schaltungen auf Basis der  Opens internal link in current windowJosephson-Effekte in enger Zusammenarbeit mit  Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 2.43. Zu diesen Schaltungen zählen insbesondere AC-Josephson-Spannungsnormale und komplexe  Opens internal link in current windownanoSQUIDs. Außerdem begleiten wir die Herstellung der Schaltungen durch die Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 2.43 sowie die Weiterentwicklung der Technologie.

Die Schaltungslayouts für hochintegrierte supraleitende Schaltungen müssen für die Anwendungen im HF-Betrieb geeignet sein. Dazu werden Mikrostreifenleiter (MSL) und koplanare Wellenleiter (CPW) auf den Chips integriert, um den Einsatz der Schaltungen bei hohen Frequenzen durch Einstrahlung von kontinuierlichen Mikrowellen bis zu 70 GHz oder kurzen Mikrowellenpulsen bis zu 15 GHz RTZ-Pulsen zu ermöglichen. Weiterhin sind passive Komponenten, wie Tiefpassfilter, Spulen, Kondensatoren und Widerstände on-chip integriert. Wesentlicher Bestandteilt der Schaltungen sind Josephson Kontakte. Verschiedene Josephson-Kontakt Typen kommen zum Einsatz:

  • SNS-Kontakte mit unterschiedlichen normalleitenden N-Barrieren: NbSi und HfTi
  • SIS-Kontakte mit AlOx als isolierende I-Barriere.

Infolge der hervorragenden Homogenität der Schaltungsherstellung mit extrem geringer Parameterstreuung, können Serienschaltungen mit vielen Tausend Josephson-Kontakten realisiert werden – hier hat die PTB bei den Metrologie-Instituten weltweit eine Spitzenposition.

Aufgrund eines an der PTB entwickelten und optimierten Herstellungsprozesses auf der Basis von Elektronenstrahllithographie und chemisch-mechanischem Polieren (CMP) werden im  Opens internal link in current windowReinraumzentrum komplexe Nanostrukturen mit hoher Ausbeute hergestellt. Da die kritische Stromdichte bei SNS-Kontakten mit HfTi Barriere in einem weiten Bereich von wenigen kA/cm2 bis zu 1 MA/cm2 gezielt eingestellt werden kann, ist diese Miniaturisierung überhaupt erst möglich.

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Forschung/Entwicklung

Für das pulsgetriebene Josephson Spannungsnormal (Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer Opens internal link in current windowJAWS) werden die Schaltungslayouts in enger Zusammenarbeit mit Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 2.43 permanent weiterentwickelt, um z.B. die Ausgangsspannung und die Integrationsdichte zu erhöhen. Mit bis zu 16 Schaltungen in Serie und insgesamt 162 000 Kontakten wurde jüngst eine Ausgangsspannung von 2.25 V RMS erfolgreich demonstriert.

Für spezielle Anwendungen des JAWS, das elektronische Kelvin (Johnson Noise Thermometrie JNT) und die JAWS-Impedanzbrücke (Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 2.63), werden sehr spezialisierte Schaltungslayouts erstellt. Im Rahmen von europäischen Projekten werden außerdem spezielle JAWS Designs entwickelt, um z.B. einen optischen Pulsbetrieb oder den Einsatz in sehr kompakten Kleinkühlern zu realisieren. Hierzu werden die Layouts entwickelt, die Schaltungen hergestellt und charakterisiert, sowie die fertigen Schaltungen an die Projektpartner geliefert. Eine enge Kooperation mit der Opens internal link in current windowArbeitsgruppe 2.63 findet statt – dort werden die Spannungsnormale in Präzisionsmessungen metrologisch eingesetzt.

Da das JAWS mittlerweile sehr gut entwickelt wurde und seine Praxistauglichkeit vielfach bewiesen hat, soll nun die gesamte Entwicklung der PTB in einem nationalen Projekt an eine kleine Hochtechnologie-Firma zur kommerziellen Verwertung übertragen werden. Dies betreffen die Schaltungslayouts, den Herstellungsprozess und den experimentellen Aufbau inkl. sämtlicher Software (Code-Erstellung, System-Steuerung, Daten-Auswertung).

Für die Entwicklung der NanoSQUIDs auf der Basis von SNS-Josephson-Kontakten mit HfTi als N-Barriere, werden im Rahmen einer langjährigen Kooperation (zum Teil DFG-Projekt Förderung) mit der Universität Tübingen (Opens external link in new windowPhysikalisches Institut - Festkörperphysik) und der PTB Berlin (Opens internal link in current windowFachbereich 7.2) verschiedenste hochkomplexe Schaltungslayouts entwickelt und erstellt. Hierbei können dank der ausgereiften Nano-Technologie der PTB alle Strukturgrößen in den Nanometerbereich verringert werden. Es ist auch möglich, die integrierten SQUID-Spulen gleichzeitig in-plane und out-of-plane herzustellen, was eine erhöhte Flexibilität beim Layout ergibt und völlig neue Sensoren ermöglicht.

In bis zu drei unabhängigen supraleitenden Nb-Schichten und einer normalleitenden AuPd-Schicht, können vielfältige Konfigurationen von neuartigen SQUID-Sensoren mit überragenden Eigenschaften kreiert werden. Eine extrem hohe Ortsauflösung ermöglichte den Einsatz dieser NanoSQUIDs in SQUID-Mikroskopen zur Charakterisierung von magnetischen Nanopartikeln oder zur Detektion von NEMS-Systemen. Weiterhin zeigen diese NanoSQUIDs ein extrem geringes Rauschen (ca. 130 nΦ0/Hz1/2), hohe Magnetfeldbeständigkeit (ca. 0,5 mT), eine hervorragende Spin-Auflösung (ca. 10 µB/Hz1/2) und eine ebenso beeindruckende Energieauflösung (ca. 13 h), wodurch sie bereits jetzt zu den "besten" NanoSQUIDs weltweit zählen.

Die bereits erzielten sehr vielversprechenden Ergebnisse sollen in weiteren Forschungsprojekten weiter ausgelotet werden.

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Dienstleistungen

Unsere Arbeitsgruppe bietet keine Dienstleistungen an.

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