Josephson-Tunnelkontakte

Ein Josephson-Tunnelkontakt besteht aus zwei supraleitenden Elektroden, Basis- und Deckelelektrode genannt, welche durch eine wenige Atomlagen dicke, isolierende Barriere miteinander verbunden sind. Sofern die elektrische Barriere hinreichend dünn ist, können nicht nur Elektronen, sondern auch Cooper-Paare durch die Barriere zwischen beiden Elektroden tunneln. Als Folge dieses durch die beiden Josephson-Gleichungen beschriebenen Tunnelvorgangs treten physikalisch hochinteressante und für Elektronikanwendungen sehr nützliche Effekte auf. Hierzu zählen etwa der Josephson-Gleichstrom oder der Josephson-Wechselstromeffekt, die zusammen mit dem quantenmechanischen Tunnelvorgang der Elektronen zu einer mit klassischen Methoden nicht beschreibbaren Strom-Spannungs-Kennlinie führen (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Bei einer Temperatur von T = 4,2 K gemessene Strom-Spannungs-Kennlinie
eines am IMS hergestellten ungedämpften Nb/Al-AlOx/Nb-Josephson-Tunnelkontakts.

Am Institut für Mikro- und Nanoelektronische Systeme (IMS) werden Josephson-Kontakte als Grundlage für die Entwicklung von supraleitenden Quanteninterferenzdetektoren (SQUIDs) eingesetzt, mit deren Hilfe Änderungen des magnetischen Flusses gemessen werden können. Als Magnetometer konfiguriert ermöglichen SQUIDs etwa die Messung magnetischer Flussdichten bis hinab zu wenigen Piko- oder Femtotesla. Am IMS werden SQUIDs vorranging als Stromsensoren eingesetzt.

Die als Basis für die am IMS entwickelten dc- und rf-SQUIDs dienenden Josephson-Kontakte werden mit Hilfe der am Institut zu Verfügung stehenden Dünnschichttechnologien hergestellt und bestehen standardmäßig aus zwei supraleitenden Elektroden aus Niob und einer Tunnelbarriere aus Aluminiumoxid. Hierfür wird in der Regel der in Abbildung 2 gezeigte Fabrikationsprozess verwendet. Der eigentliche Tunnelkontakt wird dabei in Form eines Stempels strukturiert, welcher von unten und von oben durch supraleitende Leiterstrukturen kontaktiert wird. Zur galvanischen Trennung zwischen den Kontaktierungen zur Basis- und Deckelelektrode wird der eigentliche Tunnelkontakt bis auf ein kleines Fenster im Zentrum der Deckelelektrode vollständig mit einer Isolationslage bedeckt. Aus diesem Grund werden die so hergestellten Josephson-Kontakte auch Fensterkontakte genannt. Am IMS werden auf diese Weise routinemäßig Josephson-Kontakte mit einer Fläche von 4 μm × 4 μm produziert. Die Eigenschaften der Josephson-Kontakte (kritischer Strom, Normalwiderstand, Subgap-Widerstand und Gap-Spannung) sind über ein Substrat bzw. über mehrere Fabrikationschargen hinweg zuverlässig einstellbar und ermöglichen daher die Herstellung komplexer Schaltungen auf der Grundlage von Josephson-Tunnelkontakten.

Abbildung 2: Prozessschritte zur Herstellung von Fensterkontakten: a) Deposition einer Nb/Al-AlOx/Nb-Dreischichtstruktur. b) Strukturierung der Deckelelektrode sowie der Al-AlOx-Tunnelbarriere. c) Strukturierung der Basiselektrode. d) + e) Sputterdeposition zweier Isolationslagen aus SiO2. f) Deposition und Strukturierung einer Nb-Lage zur Kontaktierung der oberen Elektrode. g) Rasterelektronenmikroskopaufnahme zweier Fensterkontakte als Teil eines geshunteten dc-SQUIDs: I. Josephson-Kontakt. II. Basiselektrode. III. Kontaktierung zur Deckelelektrode. IV. Shunt-Widerstand.

Für viele Anwendungen besteht jedoch der Wunsch, die Fläche der hergestellten Josephson-Kontakte zu minimieren, da unter anderem die Kapazität eines Josephson-Tunnelkontakts den Betrieb des SQUIDs negativ beeinflussen kann. In diesem Fall muss auf alternative Fabrikationsprozesse zurückgegriffen werden, da die Fläche von Fensterkontakten durch die Größe und die Positioniergenauigkeit des Isolationsfensters nach unten beschränkt ist. Ein möglicher Alternativprozess wurde am IMS mitentwickelt und erlaubt die Herstellung sogenannter Kreuzkontakte, deren Fläche nur durch die minimale Strukturgröße des verwendeten Lithografieverfahrens limitiert ist. Mit Hilfe der am Institut zur Verfügung stehenden Lithographiesysteme können dadurch bereits 1 μm × 1 μm große Kreuzkontakte zuverlässig produziert werden. Josephson-Kontakte mit noch kleineren Kantenlängen im Bereich von einigen 10nm sind unter Verwendung des Elektronenstrahllithografen möglich. An dieser Skalierung wird aktuell intensiv gearbeitet.

Abbildung 3: Rasterelektronenmikroskopaufnahme eines 2 μm × 2 μm großen Kreuzkontakts:
I. Josephson-Kontakt. II. Basiselektrode. III. Kontaktierung zur Deckelelektrode.

Publikationen der Arbeitsgruppe zu diesem Thema: