Herstellung und Charakterisierung von hochintegrierten Nb nanoSQUIDs mit Nb/HfTi/Nb-Josephson-Kontakten

Abstract

Diese Dissertation ist motiviert durch das in den letzten Jahren steigende Interesse an supraleitenden Quanteninterferometern (Superconducting Quantum Interference Devices; SQUIDs) mit Abmessungen auf der μm-Skala (microSQUIDs) bzw. sub-μm Skala (nanoSQUIDs) aufgrund ihrer hohen räumlichen Auflösung bei gleichzeitiger Unempfindlichkeit gegen starke externe Magnetfelder. Damit eignen sie sich ideal für die magnetische Bildgebung sowie zur Detektion des magnetischen Zustandes kleiner Spin-Systeme. Um jedoch die dafür nötigen hochqualitativen miniaturisierten Josephson-Kontakte (Josephson junction; JJ) sowie die extrem geringen Abstände und Breiten der Zuleitungen realisieren zu können, bedarf es eines geeigneten Fabrikationsprozesses, der die gewünschten Strukturen mit hoher Präzision ermöglicht. In diesem Sinne fokussiert sich diese Arbeit in einem ersten Teil auf die Optimierung des anspruchsvollen planaren Dünnfilm-Fabrikationsprozesses basierend auf der Kombination von Elektronenstrahllithografie (electron beam lithography; EBL) mit chemisch-mechanischem Polieren (chemical-mechanical polishing; CMP) für die Herstellung von nanoSQUIDs. Einzelne überdämpfte JJs aus dem supraleitenden Material Niob (niobium; Nb) und der normalleitenden Hafnium-Titan (hafnium titanium; Hfwt50%Tiwt50%; HfTi)-Barriere verschiedener Größe und mit variierender Barrierendicke wurden hinsichtlich ihrer elektrischen Transport- sowie ihrer Rauscheigenschaften bei einer Temperatur von 4 K untersucht. Dabei zeigte sich insbesondere der Einfluss von Selbsterhitzung auf die Eigenschaften der Kontakte, was für die Verwendung der Nb/HfTi/Nb-Kontakte in hochpräzisen nanoSQUID-Schaltungen zu berücksichtigen gilt. Durch die Optimierung von nanoSQUIDs steigt auch die Anzahl an Anwendungsmöglichkeiten, wodurch die supraleitenden Schaltkreise zunehmend komplexer werden. Daher strebt diese Dissertation als zweites Ziel die Erweiterung des zuvor optimierten Fabrikationsprozesses von zwei auf drei unabhängige Nb-Ebenen zur Erhöhung der Integrationsdichte an. Die Untersuchung von Teststrukturen zeigt eine sehr hohe Fabrikationsausbeute. Des Weiteren entsprechen die elektrischen Transporteigenschaften sowie das weiße Rauschen einfacher gleichstrombetriebener SQUID-Gradiometer den Erwartungen, woraus geschlossen werden kann, dass sich der in dieser Dissertation vorgestellte erweiterte Fabrikationsprozess für die Herstellung von komplexen nanoSQUID-Schaltkreisen eignet. Die Verkleinerung der Abmessungen von SQUIDs macht es zunehmend schwerer, magnetischen Fluss mithilfe von Modulationsleitungen zu modulieren. Daher widmet sich diese Arbeit in einem dritten Teil SQUIDs mit mehreren Zuleitungen und JJs (multi-terminal, multi-junction SQUIDs), welche die Möglichkeit bieten am SQUID optimale Empfindlichkeit bei beliebigen Werten des magnetischen Flusses durch das Anlegen von Kontrollströmen an zusätzliche Terminals einzustellen. Die nicht-hysteretischen Strom-Spannungs-Charakteristiken (current voltage characteristics; IVC) unserer überdämpften JJs ermöglichen es hierbei, die statischen, aber auch die dynamischen elektrischen Transporteigenschaften dieser SQUID-Konfiguration, in diesem Fall 4-terminal, 4-junction SQUIDs (4JJSQs), näher zu beleuchten. Es zeigt sich, dass sich auch diese Art von SQUIDs, wie konventionelle 2-junction SQUIDs, gut mit numerischen Simulationen basierend auf Gleichungen im Rahmen des RCSJ (resistively and capacitively shunted junction)-Modells beschreiben lassen. Insbesondere im resistiven Zustand treten jedoch in der Dynamik symmetrischer 4-terminal, 4-junction SQUIDs zum Teil starke Abweichungen von den konventionellen SQUIDs auf, welche chaotische Zustände beinhalten. Diese können beim experimentellen, asymmetrischen Bauelement allerdings nicht beobachtet werden. Somit eignet sich die Konfiguration zum einen dennoch für eine stabile in-situ Kontrolle der Empfindlichkeit des SQUIDs durch die Verschiebung der Quanteninterferenzmuster und zum anderen stellt sie ein geeignetes Mittel dar, um die Strom-Phasen-Beziehung (current-phase relation; CPR) unserer überdämpften JJs zu betrachten. Zusätzlich werden erste Ergebnisse eines alternativen Fabrikationsprozesses gezeigt, bei dem im Gegensatz zum etablierten Prozess keine Fenster in die Isolatorschicht geätzt werden, sondern supraleitende Verbindungen ausschließlich analog zu JJs als drei-Schichtenfolge (Trilayer) strukturiert werden. Dank eines weiteren CMP-Schrittes zur Kontaktöffnung und Planarisierung bietet der Prozess die Möglichkeit, über die drei unabhängigen Nb-Ebenen hinauszugehen und somit die Integrationsdichte weiter zu erhöhen. Die Fabrikationsausbeute der mit dem Prozess hergestellten Verbindungen in den oberen Verdrahtungsebenen war bereits bei den ersten Tests sehr hoch, was für ein großes Potential für zukünftig noch komplexere supraleitende Schaltungen spricht.