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Josephson-Kontakte

Ultraschnelle Bauelemente für THz-Anwendungen

Ein Josephson-Kontakt besteht aus zwei schwach gekoppelten supraleitenden Elektroden (Abb. 1). Unsere Josephson-Kontakte in Rampenkontaktgeometrie werden mit unterschiedlichen nichtsupraleitenden Barrierenmaterialien zwischen den zwei supraleitenden Elektroden hergestellt. Für die Herstellung qualitativ hochwertiger Kontakte muss die hochohmige Barriere sehr dünn und gleichförmig sein.

 

Josephson-Kontakte div. Gitter
Abb. 1: Josephson-Kontakt in Rampengeometrie mit Breite W und Barrierendicke d.
Abb. 2: Einheitszellen von YBa2Cu3O7, PrBa2Cu3O7 und MgO.

 

Wir untersuchen einzelne Josephson-Kontakte in Rampengeometrie mit unterschiedlichen Barrierenmaterialien wie Praseodymbariumkupferoxid PrBa2Cu3O7 oder Magnesiumoxid MgO. PrBa2Cu3O7 ist ein Halbleiter, der die gleiche Kristallstruktur aufweist wie YBa2Cu3O7. Dabei kann der Widerstand um mehrere Größenordnungen variiert werden, wenn das Kupfer aus den Seitenketten durch Gallium ersetzt wird (PrBa2Cu3-xGaxO7). Außerdem verwenden wir MgO als Barrierenmaterial, welches ein Isolator mit annähernd der gleichen Gitterkonstanten wie YBa2Cu3O7 ist (Abb. 2).

Für die Herstellung benutzen wir einen KrF-Excimerlaser zur gepulsten Laserablation, konventionelle Photolithographie und Plasmaätzen mittels Argonionen in einem Parallelplattenreaktor. Präzise polierte Einkristallsubstrate aus Strontiumtitanat SrTiO3 und Lanthanaluminat LaAlO3 dienen als Basismaterial.

Mit Standardmessungen wie der Temperaturabhängigkeit des Widerstands und des kritischen Stroms charakterisieren wir die Proben bezüglich ihrer kritischen Sprungtemperatur, der kritischen Stromdichte und des normalleitenden Widerstands. Misst man die Strom-Spannungs-Kennlinie unter Mikrowelleneinstrahlung geeigneter Frequenzen so zeigen sich konstante Plateaus bei den Spannungen U = n*h/2e*f, die sogenannten Shapirostufen (Abb. 3), z.B. n=10 GHz, l=3 cm. Außer der Charakterisierung mittels Mikrowelleneinstrahlung untersuchen wir den Einfluß magnetischer Felder auf das elektrische Verhalten von Josephson-Kontakten.

Mit diesen Messungen wollen wir die Leitungsmechanismen der Cooper-Paare und Einzelelektronen durch die Barriere klären. "Variable range hopping", direkte und resonante Tunnelprozesse sind dabei möglich. Für diese Messungen ist ein entsprechender Probenhalter entwickelt worden, der Mikrowellen- und magnetische Messungen bei tiefen Temperaturen in flüssigem Stickstoff oder Helium erlaubt.

Shapirostufen Schaltungslayout
Abb. 3: Shapirostufen erscheinen in der ungestörten U(I)-Kennlinie (blaue Kurve), wenn der Josephson-Kontakt Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wird (rote Kurve).
Abb. 4: Schaltungslayout (links) und Bild (rechts) eines Arrays mit fünf bzw. sieben seriellen Josephson-Kontakten in Rampengeometrie. Der Ausschnitt hat eine Größe von 400µm x 330µm.

 


Josephson-Kontakte werden in SQUIDs, elektronischen Schaltkreisen wie RSFQ-Logiken, High-Speed-Computern und im Josephson-Voltstandard eingesetzt. Außerdem können sie als empfindliche Leistungssensoren (als Bolometer) für elektromagnetische Wellen im infraroten bis zum Mikrowellenbereich verwendet werden (z.B. in der Astronomie). SQUIDs werden bevorzugt für biomagnetische Messungen magnetischer Felder und die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung z.B. von Flugzeugnieten und -felgen verwendet.

Ein Schlüsselproblem für die Herstellung von hochintegrierten Bauelementen aus Hochtemperatursupraleitern mit vielen Josephson-Kontakten ist die Streuung der Einzelkontakteigenschaften. Um diese Streuung des kritischen Stroms Ic und des normalleitenden Widerstands Rn zu untersuchen, präparieren wir Josephson-Kontakt-Arrays mit einer kleinen Anzahl von Rampenkontakten (drei, vier, fünf) in Serie (Abb. 4). Um den kritischen Strom jedes einzelnen Kontaktes im Array zu bestimmen, messen wir den differentiellen Widerstand und die Emission von Mikrowellenstrahlung.

Für die Herstellung verwenden wir einen Mehrlagenprozess wie oben beschrieben. In den Rampenkontakten benutzen wir PrBa2Cu3O7 oder PrBa2Cu3-xGaxO7 als Barriere mit verschiedenen Dotierungskonzentrationen x an Gallium, um den normalleitenden Widerstand und das IcRn-Produkt zu erhöhen. Außerdem stellen wir mit dieser Multilagentechnologie Josephson-Kontakt-Arrays mit bis zu zwei Millionen Kontakten auf einem 1cm x 1cm Chip (Fig. 5) her. Damit kann einerseits die Möglichkeit der Herstellung hochintegrierter Chips aus Hochtemperatursupraleiter demonstriert werden, andererseits lässt sich die Statistik der Streuuung der Kontaktparameter Ic und Rn bestimmen.

Weiterhin vergleichen wir die Ergebnisse von Rampen-Kontakt-Arrays und Josephson-Kontakt-Arrays, die auf 24°-SrTiO3 Bikristallsubstraten hergestellt wurden, welche normalerweise für die Herstellung von Magnetometern benutzt werden.

Anwendungen für diese Josephson-Kontakt-Arrays sind Mikrowellensender und -empfänger oder Voltstandards bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff (T=77 K).

Chip

Abb. 5: Übersicht eines Chips mit zwei Millionen Josephson-Kontakten. Der Kontaktsteg in der oberen rechten Ecke hat eine Breite von 6 µm. Jeder heller Punkt des Arrays auf der linken Seite ist eine kleine YBa2Cu3O7-Insel, die mit Silber bedampft ist und die auf jeder Seite zwei Rampenkontakte aufweist.

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