Samenvatting Karthikeyan Shunmugavel

Een Josephson junctie is het basiselement van ‘rapid single flux quantum’ (RSFQ) logische schakelingen. De hoge schakelsnelheid en het lage energieverbruik van RSFQ logica zijn de belangrijkste voordelen ten opzichte van halfgeleidende elektronische schakelingen. Om gecompliceerde RSFQ schakelingen in hoge-temperatuur supergeleidende (HTS) technologie te realiseren, is het noodzakelijk om op reproduceerbare wijze Josephson juncties met weinig onderlinge variatie in de eigenschappen te maken. Een volledige epitaxiale multilaagsstructuur met schone grensvlakken en een gladde oppervlaktemorfologie is vereist voor HTS juncties van hoge kwaliteit. Dunne lagen van neodyniumbariumkoperoxide (NBCO) zijn gebruikt als supergeleidende elektrodes vanwege de hoge transitietemperatuur en lage opper­vlakte­ruwheid. NBCO is een ‘vastestofoplossing’ met de formule Nd_1+xBa_2-xCu₃O_y (waarbij x = 0.12 in deze studie), waarin de Ba²⁺ ionen door Nd³⁺ ionen kunnen worden gesubstitueerd. Wanorde van de kationen en het gebrek aan zuurstof beïnvloeden de structurele en elektronische eigenschappen van gegroeide NBCO dunne lagen. De samenstelling van het ‘target’, de substraattemperatuur, de partiële zuurstofdruk en ‘anneal’-stappen zijn zodanig gekozen dat gladde films met een hoge transitie­temperatuur worden verkregen. NBCO is hierbij in een gasmengsel van argon en zuurstof (20:1) bij een druk van 0.35 mbar gedeponeerd op een MgO substraat met een STO bufferlaag en een substraattemperatuur van 820 ºC. Gedeponeerde lagen met diktes van 150 nm zijn glad en hebben een oppervlakteruwheid van 1-3 nm en een transitietemperatuur van circa 90 K.

‘Ramptype’ juncties, waarin het ladingstransport plaatsvindt in het kristallografische ab-vlak van de supergeleidende elektrodes, zijn aantrekkelijk voor gebruik in RSFQ schakelingen omdat de stroom-spanningskarakteristieken door het barrièremateriaal en de ‑dikte worden bepaald. Juncties kunnen verder vrij in het ab-vlak worden geplaatst waardoor de elementdichtheid van de schakeling wordt vergroot. De NBCO basiselektrode en een PBCO-STO dubbellaag zijn in-situ gedeponeerd, waarna de ramp structuren zijn gedefinieerd door te etsen met argon ionen. De PBCO-STO dubbellaag wordt gebruikt als isolatielaag tussen de supergeleidende elektrodes. Na het schoon­maken en herstellen van de ramp, zijn de dunne barrièrelaag en de tegenelektrode gedeponeerd. Gallium gedoteerd PBCO is hierbij als barrièremateriaal gebruikt. Daarna zijn de junctiebreedtes gedefinieerd en de contactpaden gemaakt door middel van goud ‘lift-off’. De gemeten stroom-spanningskarakteristieken vertonen gedrag zoals ook volgt uit het resistief-geshunte-junctie (RSJ) model met daarbij nog een additionele stroom­component. De variatie in de kritieke stroom is 5 tot 20 % van het gemiddelde over een oppervlak van 1 mm². De variatie in junctieparameters wordt vooral bepaald door de gladheid van het ramp-oppervlak en de groei van de barrière en tegenelektrode. Ook de degradatie van de kritieke temperatuur van de NBCO basis­elektrode beïnvloedt de reproduceerbaarheid en de variatie in de kritieke stroom. Pogingen om juncties te fabriceren volgens het concept van een additionele reparerende tussenlaag leverden in eerste instantie een hoge spreiding op en een laag I_CR_N-produkt van circa 260 mV bij 10 K. Door het invoeren van een grondvlak is het mogelijk gebleken de inductie van de eletrodebanen te reduceren. SQUIDs met directe injectie zijn gefabriceerd waarmee de inductie van basis- en tegenelektrode zijn gemeten.

Overgesamplede delta-sigma supergeleidende analoog-naar-digitaal omzetters met grote dynamische werkgebieden bij een bandbreedte van 1 MHz kunnen worden verkregen door gebruik te maken van de hoge schakelsnelheid van Josephson juncties. Een eerste-orde delta-sigma modulator met een stroominvoer bevat een RL integrator, waarbij de geïntegreerde stroominvoer wordt gedigitaliseerd door een Josephson comparator. Bij elke SFQ uitgangspuls wordt de integratorstroom gereduceerd met F₀/L. Het dynamische werkgebied kan verder worden verbeterd door een modulator van een hogere orde te gebruiken. Een tweede-orde modulator is ontworpen, de prestaties zijn gesimuleerd in een Josephson simulator (JSIM) en de modulatoruitvoer is geanalyseerd door middel van een ‘fast Fourier’ transformatie (FFT). Een tweede-orde modulator heeft twee integratoren. De terugkoppeling naar de integrator, verbonden met de comparator, wordt gegeven door de junctie die het signaal kwantiseert. De terugkoppeling met een versterking van mF₀ naar de (aan de stroominvoer gekoppelde) integrator vergroot de complexiteit van de schakeling. Verhoging van het aantal (m) terugkoppelpulsen verbetert echter wel de ruisvorm. De invloed van de inductie van de integrator op de prestaties van de modulator en op de kans dat de tweede-orde modulator gerealiseerd kan worden in HTS technologie is onderzocht.

Vanwege het lage signaalniveau van een Josephson junctie en de smalle pulsbreedte van enkele picoseconden is de doorvoer van SFQ data naar halfgeleiderschakelingen één van de belangrijkste uitdagingen in het gebruik van RSFQ logische schakelingen. In dit proefschrift is de toepassing van een ‘pulsstrekker’ als overbrugging tussen een RSFQ schakeling en kamertemperatuur­elektronica onderzocht. De pulsstrekker levert een verlengde spanningspuls bij elke SFQ datapuls. Een versterker met een lage impedantie en weinig ruis is nodig om het uitgangssignaal te detecteren en verder te versterken omdat de uitgangsspanning wordt gelimiteerd door het I_CR_N-produkt van de uitvoerjuncties. De pulsbreedte van de verlengde puls wordt gelimiteerd door de bandbreedte van de versterker. Twee pulsstrekkerschakelingen zijn bestudeerd en de verwachte fabricageopbrengst van beide schakelingen is afgeschat als functie van de spreiding van de parameters. Eén van de pulsstrekkers is gefabriceerd door middel van HTS technologie. Bij 47 K is experimenteel vastgesteld dat de schakeling digitaal correct functioneert. Om verschillende redenen trad in enkele schakelingen incidenteel ongewenst schakelgedrag op. De functionaliteit van de gefabriceerde schakeling bleek vooral te worden beïnvloed door variatie in de junctieparameters, thermische fluctuaties, ruis die door de meetopstelling zelf wordt gegenereerd en parasitaire inducties die onvermijdbaar zijn in een ontwerp dat geschikt is voor niet-rotationeel etsen.

Twee modellen zijn ontwikkeld om de pulsstrekker te verbinden met de RSFQ circuits waarvan de uitvoerpulsen omgezet dienen te worden in verlengde pulsen om verder verwerkt te kunnen worden door halfgeleiderschakelingen. In beide modellen wordt de pulsstrekker door datapulsen ingesteld. De reset puls wordt in het ene model geleverd via een splitsingsnetwerk, waarin de vertraging vantevoren is vastgelegd. In het andere model wordt de reset puls gegenereerd door een externe klok. Impedantieverschillen tussen de schakelingen veroorzaken reflecties aan het grensvlak. Simulaties zijn uitgevoerd om te onderzoeken hoe de verlengde pulsen zich langs een passieve transmissielijn die uitmondt in een weerstand gedragen. Een halfgeleiderversterker met een lage invoerimpedantie die dicht bij de normale weerstand van de uitvoerjunctie ligt, is vereist om de RSFQ schakeling te kunnen verbinden met halfgeleiderelektronica. In de praktijk zullen, afhankelijk van de manier van verbinden, parasitaire inducties, weerstanden en capaciteiten extra impedantieverschillen introduceren.