Electrical properties of Josephson junctions with NbxSi1-x barriers customised for AC voltage standard applications

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The Josephson effect enables the creation of voltage standards with quantum accuracy by linking the electrical unit of voltage with the frequency. This work describes the implementation of Josephson junctions with NbxSi1‑x barriers into the fabrication of AC Josephson voltage standards. NbxSi1‑x barriers combine the robustness and high critical current densities of SNS junctions with the high characteristic voltage of SIS junctions. To gain insight into the inner workings of Josephson junctions with NbxSi1‑x barriers, their physical properties were studied. One of the main goals was the analysis of the dependence of the electrical junction parameters on the co-sputter conditions. The interpretation of the obtained data was done within a model of Josephson junctions with semiconducting barriers. Especially the very high capacitance of the junctions and the nearly non-hysteretic current-voltage characteristic set the studied junctions apart from both SIS and SNS junctions. The fabricated circuits with up to 69632 Josephson junctions prove that Josephson junctions with NbxSi1‑x barriers are well-suited for AC voltage standard applications.

Der Josephson-Effekt ermöglicht quantengenaue Spannungsnormale, die die elektrische Einheit der Spannung mit der Frequenz verknüpfen. Diese Arbeit beschreibt die Integration von Josephson-Kontakten mit Barrieren aus NbxSi1‑x in die Herstellung von Josephson-Wechselspannungsnormalen. Barrieren aus NbxSi1‑x verbinden die Robustheit und die hohe kritische Stromdichte von SNS-Kontakten mit der hohen charakteristischen Spannung von SIS-Kontakten. Um das Funktionsprinzip von Josephson-Kontakten mit NbxSi1‑x- Barrieren zu verstehen, wurden ihre physikalischen Eigenschaften untersucht. Dabei wurden insbesondere die Auswirkungen der Bedingungen während des Co-Sputter-Prozesses auf die elektrischen Parameter der Josephson-Kontakte analysiert. Zur Interpretation der gemessenen Daten wurde ein Modell für Josephson- Kontakte mit halbleitenden Barrieren herangezogen. Insbesondere die sehr große Kapazität der Kontakte und die weitgehend hysteresefreie Strom-Spannungs- Kennlinie unterscheiden die untersuchten Kontakte sowohl von SIS- als auch von SNS-Kontakten. Schaltungen mit bis zu 69632 Josephson-Kontakten zeigen, dass Josephson-Kontakte mit NbxSi1‑x – Barrieren hervorragend für Josephson-Wechselspannungsnormale geeignet sind.