Herstellung und Charakterisierung von RF-SETs für die Fehlerdetektion in Halbleiter-Einzelelektronenpumpen

Die Neudefinition des SI im Jahr 2019 ermöglicht es, neue Primärnormale, unter anderem für die Einheit Ampere, einzuführen. Eines dieser neuen Primärnormale sind Einzelelektronenpumpen, welche einen konstanten Strom an Elektronen generieren können. Die Herausforderung, welche mit diesen Einzelelektronenpumpen verbunden ist, besteht darin, dass ihre Genauigkeit nicht wie z. B. beim Josephson-Effekt durch einen makroskopischen Quanteneffekt vorgegeben ist, sondern inhärent einer statistischen Verteilung folgt. Die erreichbare Unsicherheit im Strom ist zwar sehr gut (0;2 ppm), muss allerdings validiert werden. Eine Möglichkeit der Validierung ist das Messen des erzeugten Stroms, rückgeführt auf den Josephson- und Quanten-Hall-Effekt.
In dieser Arbeit wurde ein direkterer Ansatz verfolgt, bei welchem der erzeugte Strom intrinsisch im Bauteil validiert wird. Dies wird erreicht, indem die Einzelelektronenpumpe eine Ladungsinsel auflädt, deren Ladungszustand von einem Einzelelektronendetektor gemessen wird. Ziel dieser Arbeit war es, sowohl ein solches Bauteil, unter der Verwendung von RF-SETs, als auch das für die Charakterisierung des selbigen notwendige Messsystem zu entwickeln. RF-SETs wurden verwendet, um die Messbandbreite zu maximieren. Für deren Betrieb wurden planare Resonatoren auf Basis von NbTiN entwickelt. Es wurde zunächst ein FPGA-gesteuertes Messschema implementiert, in welchem die Messungen mittels eines 2D-Histogramms ausgewertet werden. Die Pumpen wurden zunächst im sogenannten „single-shot“-Modus betrieben. Dabei handelt es sich um einen Betriebsmodus, in dem nur ein einziges Elektron mit einer langen Pause transportiert wird. Während dieser Pause misst der Detektor den Ladungszustand der Insel.
Um die Pumpen im kontinuierlichen Betrieb zu untersuchen, wurde der Burst-Modus entwickelt, in welchem mehrere Elektronen in schneller Folge hintereinander transportiert werden, bevor der Detektor seine Messung durchführt. Damit dabei nicht zu viele Elektronen auf der Insel akkumuliert werden, werden zwei Pumpen synchron in Reihe verwendet. Dadurch lässt der Ladungszustand der Insel nach dem Burst Rückschlüsse auf die Pumpfehler zu. In dieser Arbeit wird weiterhin ein Modell vorgestellt, mithilfe dessen es möglich ist, den Transportprozess der Pumpe zu untersuchen. Weiterhin erlaubt dieses Modell, die Unsicherheit des erzeugten Stroms zu ermitteln, wodurch ein Primärnormal realisiert wird. The redefinition of the SI in 2019 opened up several possibilities for the implementation of new primary standards. One of these are single electron pumps (SEPs), which are able to produce a constant flow of electrons and thus represent a precise standard for the Ampere. The challenge of these SEPs is that their precision is not guaranteed by a macroscopic quantum effect like the Josephson effect, but is limited by the stochastic nature of their transport mechanism. Therefore, the uncertainty of a current generated by a SEP must be validated. One method to realize this validation is the measurement of the current with a sufficiently precise amplifier and multimeter, which are calibrated with a Josephson and quantum Hall standard.
In this thesis, a second method of validation will be presented. Here the number of transported electrons is intrinsically validated through a singleelectron-detector which is capacitively coupled to a charge island onto which the SEP pumps electrons. We used the RF-SET scheme to increase the measurement bandwidth and output current of the device. The planar resonators required for the RF-SET were fabricated from NbTiN. Furthermore, a measurement scheme where a FPGA controls the device and measures the detector signal was developed. The measured signal was evaluated by means of a twodimensional histogram, thus eliminating the need for a detector feedback. At first, the SEPs were measured in a “single-shot” mode, where one pump transported only one electron at a time followed by a pause. During this pause, the detector measured the charge level on the island.
To examine the pumps in a continuous mode, the burst-method was developed. Here, a burst of several electrons is transported in quick succession, followed by a pause for the detector. To achieve this, while avoiding an overloading of the island, two pumps are operated synchronously and in series, with the charge island between them. Therefore, the charge only changes if one of the pumps operates erroneously. Furthermore, this thesis presents a model which allows to extract the transport statistic of this series pump based on the charge measurement, thus allowing detailed investigation of the transport process. Using this model, it is also possible to describe the uncertainty of the produced current, realizing a primary standard.