Etude et réalisation de jonctions Josephson en nitrure de niobium à barrière semi-métallique en TaxN ; application aux circuits logiques micro-ondes à impulsions quantiques RSFQ

par Romano Setzu

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Bernard Salce.

Soutenue en 2007

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble) .


  • Résumé

    Cette thèse a permis le développement et l’optimisation de jonctions Josephson SNS (Supraconducteur–métal Normal–Supraconducteur) à électrodes NbN et barrière TaxN de haute résistivité. On a montré une bonne reproductibilité des propriétés des couches TaxN en fonction des paramètres du dépôt. Les tricouches NbN/TaxN/NbN présentent la température critique élevée attendue (16K). Les jonctions présentent une dépendance claire du produit RnIc (courant Josephson x résistance normale, indicateur de la fréquence Josephson maximale) en fonction de la pression d’azote dans le dépôt. On a ainsi obtenu sur des collections de jonctions des produits RnIc très élevés, jusqu'à 3,74mV à 4,2K pour des densités de courant critique Jc voisines de 15kA/cm2. Les jonctions présentent les comportements Josephson attendus, (diffraction de Fraunhofer et marches de Shapiro) jusqu'à 14K. La dépendance du Jc des jonctions en fonction de la température a été interpolée en utilisant le modèle des jonctions SNS longues dans la limite sale, donnant une longueur de cohérence du métal normal autour de 3,8nm à 4,2K. Nous avons enfin étudié un procédé de fabrication multiniveaux adapté aux circuits RSFQ (Rapid Single Flux Quantum), comprenant un plan de masse commun et des résistances de polarisation. Pour conclure, nous avons montré la supériorité de performances des jonctions NbN/TaxN/NbN sur les jonctions actuelles en niobium et leur intérêt pour réaliser des circuits numériques RSFQ compacts. En effet ces jonctions s’affranchissent des résistances d’amortissement des jonctions Nb, et peuvent fonctionner jusqu’à des fréquences d’horloge supérieures à 150 GHz et jusqu’à 10K (contre 50 GHz en Nb à 4,2K).


  • Résumé

    This thesis research brought to the development and optimization of SNS (Superconductor-Normal Metal-Superconductor) Josephson junctions with NbN electrodes and a high resistivity TaxN barrier. The study of sputtered TaxN thin films as a function of deposition parameters showed a good reproducibility of the film properties. The NbN/TaxN/NbN trilayers have the expected critical temperature (16K). The junctions showed a clear dependence of the RnIc product as a function of the partial nitrogen pressure during deposition; the RnIc is the product between the junction critical current and its normal resistance, indicating the upper limit Josephson frequency. We have also obtained some very large RnIc products, up to 3. 74mV at 4. 2K for critical current densities Jc of about 15kA/cm2. Junctions show the expected Josephson behaviors, respectively Fraunhofer diffraction and Shapiro steps, up to 14K. Moreover junctions appear to be self-shunted. The junctions temperature dependence of Jc has been fitted by using the long SNS junction model in the dirty limit, which gives a normal metal coherence length of about 3. 8nm at 4. 2K. We have finally studied a multilayer fabrication process, including a common ground plane and bias resistors, suitable for RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) logic basic circuits. To conclude we have been able to show the performance superiority of NbN/TaxN/NbN junctions over the actual niobium junctions, as well as their interest for realizing compact RSFQ logic circuits. In fact these junctions do not need external shunt-resistors as the Nb junctions, and can operate at clock frequencies above 150 GHz up to 10K (against 50GHz at 4. 2K for the Nb technology).

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Informations

  • Détails : 1 vol. (204 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 98 réf.

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  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS07/GRE1/0246/D
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  • Cote : TS07/GRE1/0246
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