MESA+ University of Twente
Research Business & Innovation About MESA+ Education

Mesa+

Dit proefschrift beschrijft de ontwikkeling van supergeleidende tunnel junkties (STJ’s) met een lage energiekloof voor gebruik als foton detektoren, met als belangrijkste doel het verbeteren van het energie-oplossend vermogen in zowel het zichtbare als het röntgen energiebereik.

Er wordt een nieuw model gepresenteerd voor het detektiemechanisme van fotonen met STJ’s, dat de volledige energie-afhankelijkheid van alle processen met quasideeltjes in de junkties omvat. Dit model maakt de berekening mogelijk van de tijd- en energie-afhankelijke verdeling van quasideeltjes vanaf het moment van ontstaan van de quasideeltjes door de absorptie van een foton, tot het einde van de stroompuls als alle quasideeltjes weer verdwenen zijn. Een nauwkeurige beschrijving van de energieverdeling van de quasideeltjes is van toenemend belang naarmate de energiekloof van de junkties kleiner is, omdat de snelheid waarmee de quasideeltjes naar een evenwichtstoestand evolueren evenredig is met de derde macht van die energiekloof. Dit heeft tot gevolg dat de herverdeling van energie van de quasideeltjes in supergeleiders met een lage kritische temperatuur TC veel langzamer gaat, zodat de energie die de quasideeltjes winnen door opeenvolgende tunnel- en terugtunnelprocessen in de aanwezigheid van een aangelegde spanning, leidt tot een erg brede energieverdeling van de quasideeltjes populatie in niet-evenwichtstoestand. Er zijn twee effecten die gerelateerd zijn aan deze brede energie verdeling van de quasideeltjes, en die niet met een Rothwarf-Taylor beschrijving zonder energie-afhankelijkheid verklaard kunnen worden. Dit zijn, ten eerste, het gemeten tekort aan tunnelsignaal tengevolge van tegengestelde tunnel processen, en, ten tweede, vermenigvuldiging van quasideeltjes. Zodra een quasideeltje een energieniveau bereikt boven de aangelegde spanning, kan er een tunnel proces in tegengestelde richting optreden, waardoor de stroompuls effectief verlaagd wordt. Op deze manier gaat een deel van het gemeten ladingssignaal verloren, wat kan oplopen tot 80% voor junkties met een kleine energiekloof en een korte tunneltijd. Als een quasideeltje een energie boven driemaal de energiekloof bereikt, kan het in het relaxatieproces naar de energiekloof een fonon uitzenden met een energie groter dan tweemaal de energiekloof. Zo’n fonon kan op zijn beurt weer een Cooperpaar opsplitsen in twee extra quasideeltjes. Hierdoor zal de quasideeltjespopulatie snel groeien, met een dienovereenkomstig effect voor de gemeten tunnelstroom. Dit mechanisme wordt quasideeltjes vermenigvuldiging genoemd, en is typisch voor junkties met een kleine energiekloof en langzame quasideeltjes-verliesprocessen.

Voorbeelden van het energie-afhankelijke kinetische model waarin junkties gebaseerd op Ta en Nb worden gesimuleerd, laten zien dat de energieverdeling van de quasideeltjes snel convergeert naar een ‘quasi-evenwichtsverdeling’. De verdeling wordt in quasi-evenwicht genoemd omdat de genormaliseerde verdeling onveranderlijk is, terwijl het totale aantal quasideeltjes wel vermindert tengevolge van de verschillende verlieskanalen voor quasideeltjes. Deze ‘quasi-evenwichtsverdeling’ vertoont een stapstructuur, met lokale maxima bij veelvouden van de biasenergie, veroorzaakt door de energietoename door opeenvolgende tunnel- en terugtunnelprocessen. Zelfs in junkties gebaseerd op Ta en Nb, met relatief grote energiekloven, ligt de gemiddelde energie van de quasideeltjes duidelijk boven de energiekloof van deze materialen, zodat aan de belangrijkste voorwaarde voor de Rothwarf-Taylor benadering niet voldaan is.

De fabricageprocessen voor drie soorten STJ’s, gebaseerd op vanadium-aluminium, aluminium en molybdeen-aluminium electroden, worden in dit proefschrift gepresenteerd. De junkties gebaseerd op V waren bedoeld als object om de processtappen te ontwikkelen voor de fabricage de junkties met lagere TC, gebaseerd op Al en Mo. De junkties gebaseerd op V hebben als voordeel dat ze gebruikt kunnen worden bij een temperatuur van 300 mK in een 3He adsorptie koeler, waardoor een snelle testcyclus mogelijk is. Junkties gebaseerd op Al en Mo daarentegen, moeten gebruikt worden bij temperaturen van 100 mK of lager, waarvoor een Adiabatisch Demagnetisatie koeler (ADR) vereist is, die typisch een veel langere koelcyclus heeft. De optimalisatie van processtappen die gemeenschappelijk zijn voor alle drie typen junkties, gevonden met behulp van de vanadium junkties, kan dan direct toegepast worden voor de junkties met lagere energiekloof.

De gefabriceerde V-Al junkties zijn van hoge kwaliteit met een resistiviteit in de normale toestand rnn gelijk aan ~1.2 mW cm2 en een dynamische resistiviteit van ~1.1 W cm2, wat overeenkomt met een kwaliteitsfactor Q = rd/rnn ~106. De variatie van de Josephsonstroom met toenemend magnetisch veld vertoont een zeer regelmatig patroon, kenmerkend voor een hoge mate van uniformiteit van de isolerende barriere tussen de twee electroden van de junkties. Röntgenfotonen met een energie van 6 keV konden gedetekteerd worden met V junkties met afmetingen tussen 7 en 30 mm. Hun responsiviteit bleek met een waarde van ongeveer 600 e-/eV echter erg laag te zijn, en onafhankelijk van de grootte van de detektoren. Simulaties met het energie-afhankelijke kinetische model toonden aan dat het aantal gelokaliseerde ‘trap’-toestanden, waarin quasideeltjes kunnen worden ingevangen, erg groot was: respectievelijk één en twee orden van grootte meer dan in soortgelijke junkties van Nb en Ta. Dit grote aantal van dit soort toestanden wordt in verband gebracht met de hoge reactiviteit van vanadium met zuurstof, en de metallische eigenschappen van sommige van de oxiden, die eilandjes met lagere energiekloof vormen in de supergeleider. Het energieoplossend vermogen bij een fotonenergie van 6 keV was 80 eV volle breedte op halve hoogte (FWHM) voor de kleinste junkties, oplopend tot ongeveer 900 eV FWHM voor de 30 mm grote junkties. De oorzaak van dit slechte oplossend vermogen is een variatie van de responsiviteit met de laterale positie van fotonabsorptie in de detector. Het werk aan junkties uit vanadium is stopgezet vanwege hun ongeschiktheid als fotondetektoren. Desalniettemin is het belangrijkste doel voor deze junkties wel bereikt, namelijk het ontwikkelen van de processtappen voor de junkties met een kleinere energiekloof gebaseerd op Al en Mo.

Afzonderlijke Al STJ’s van hoge kwaliteit zijn gefabriceerd in afmetingen variërend van 10 tot 70 mm. De resistiviteit in de normale toestand rnn van deze junkties is ~7 mW cm2 en hun dynamische resistiviteit ~1.9 W cm2, wat overeenkomt met een kwaliteitsfactor Q ~2.7 105. De variatie van de Josephsonstroom met toenemend magnetisch veld vertoont een zeer regelmatig patroon, met een geprononceerd minimum bij een aangelegd veld van 50 Gauss, waardoor de Josephsonstroom effectief kan worden onderdrukt. Optische fotonen met een energie van 1-6 eV konden met deze STJ’s gedetekteerd worden. De responsiviteit van de Al junkties is erg hoog met een typische waarde van 105 e-/eV, en evenredig met de oppervlakte van de detektoren. Zowel de responsiviteit als de afvaltijd van de pulsen van de Al STJ’s zijn een sterk niet-lineaire functie van de fotonenergie, wat duidt op een relatief klein aantal ‘trap’toestanden waarin quasideeltjes kunnen worden ingevangen. Simulaties met het energie-afhankelijke kinetische model tonen aan dat het aantal gelokaliseerde ‘trap’-toestanden in de Al junkties slechts ongeveer 7000 bedraagt, respectievelijk 3 en 30 keer minder dan in soortgelijke junkties van Nb-Al en Ta-Al. Het aantal ‘trap’-toestanden is onafhankelijk van de grootte van de detektoren, wat er sterk op duidt dat deze toestanden gelokaliseerd zijn in het Nb waaruit de contacten naar de bovenste en onderste electroden zijn gemaakt. De responsiviteit van de junkties neemt toe met toenemende aangelegde spanning, en dit effect is sterker voor de grotere junkties met langere verliestijden voor quasideeltjes. Deze relatie houdt verband met de brede energieverdeling van de quasideeltjes. Doordat de tunnelstromen in tegengestelde richting lager zijn, en de quasideeltjes vermenigvuldiging sterker is bij hogere aangelegde spanning, neemt de responsiviteit toe met toenemende spanning. Deze effecten konden met succes gesimuleerd worden met het energie-afhankelijke kinetische model. Het energie-oplossend vermogen van de Al junkties wordt beperkt door een positie-afhankelijke component, waarschijnlijk doordat de verliezen van quasideeltjes voornamelijk optreden ter plaatse van de Nb contacten aan de bovenste en onderste electroden. Deze positie-afhankelijke component beperkt het intrinsieke oplossend vermogen l/Dl voor optische fotonen met een golflengte van 500 nm tot ongeveer 17, ver onder de theoretische waarde van ongeveer 30. Desalniettemin zijn de mogelijkheden van Al STJ’s als detektoren van optische fotonen aangetoond. In toekomstig werk aan Al STJ’s zullen de Nb contacten vervangen worden door Ta, waardoor de positie-afhankelijkheid van de responsiviteit verminderd moet worden, en daarmee het energie-oplossend vermogen van de detector verhoogd. Daarnaast is voorzien om de Al junkties te koppelen aan röntgenabsorbers en zo het goede theoretische energie-oplossende vermogen van Al STJ’s ook in het röntgengebied te exploiteren.

De gefabriceerde junkties uit Mo-Al vertonen nog een probleem met de struktuur van hun randen, zoals die gevormd worden in de etsprocedure waarin de vorm van de junkties bepaald wordt. De bovenste Mo laag wordt 600 nm meer zijwaarts wegge-etst dan de onderste Mo laag, waardoor een stapprofiel aan de randen ontstaat. De Al laag tussen de twee Mo lagen vormt geen vertikale wand, waardoor de dunne isolerende laag van aluminiumoxide beschadigd is. Dientengevolge hebben deze junkties hoge lekstromen die schalen met de omtrek van de detektoren, en waarden hebben van ongeveer 1.25 mA per mm van de omtrek. Dergelijke hoge lekstromen maken de detektie van fotonen onmogelijk. Een eerste vereiste voor bruikbare STJ’s uit Mo is daarom een verbetering van de bovengenoemde etsprocedure, zodat de lekstromen drastisch worden verlaagd.