JTL JTL SPLITTER DC/SFQ DC/SFQ Vb(SPLITTER) Vb(T-FF) CLOCK_IN DATA_IN Vb(JTL) T-SFQ/DC T-SFQ/DC Vb(T-SFQ/DC) Vb(T-SFQ/DC) CLOCK_OUT DATA_OUT 230 µm 940 µm
F. 5.8. Photo du registre à décalage à 4 bits dessiné sur 11 niveaux de masque et fabriqué par HYPRES. Le circuit comprend 72 jonctions Nb/AlOX/Nb shuntées.
5.3
Test quasi-statique des jonctions et des SQUIDs Nb
Les figures 5.9 et 5.10 montrent les caractéristiques de la jonction JJ4 sans et avec résistance de shunt respectivement sur trois puces différentes. Les courants critiques de deux jonctions devrait être identiques car elles sont de même diamètre, mais elles dif- fèrent de puce en puce et, en particulier, les jonctions sans shunt ne présentent pas d’hys- térésis. D’autre part le gap de 2,5 mV de ces jonctions tunnel est bien visible comme la
F. 5.9. Caractéristique I(V) de la jonction JJ4 non shuntée mesurée sur plusieurs puces (fonderie HYPRES
Nb).
F. 5.10. Caractéristique I(V) de la jonction JJ4 avec sa résistance de shunt mesurée sur plusieurs puces (fonderie
diffraction du courant critique (figure 5.11) sous champs magnétique appliqué5 caracté- ristique de l’effet Josephson. En plus la plupart des caractéristiques I(V) présentent des anomalies caractéristiques6(voir la figure 5.12), ce qui exclut la possibilité d’un claquage
«aléatoire» de la jonction. Ces anomalies sont encore mises en évidence par les caracté-
F. 5.11. Mesure de la diffraction du courant critique de la jonction JJ4 circulaire avec résistance de shunt en fonction du champ magnétique (cou- rant appliqué à la bobine) appliqué dans
le plan de la jonction.
F. 5.12. Mesure de la caractéris- tique I(V) de deux jonctions JJ4 avec et sans résistance de shunt sur deux puces différentes. Les allures sont très simi- laires, mais le rôle du shunt n’apparaît
pas.
ristiques I(V) des deux SQUID dessinés pour la JTL (Josephson Transmission Line) et pour le T-Flip Flop. La figure 5.13 montre les caractéristiques I(V) de la jonction JJ4 (IC(J J4) ∼ 600 µA) avec résistance de shunt et des deux SQUID (JTL et TFF) constitués
par la même jonction dans la même puce et qui ont effectivement le double du courant critique d’une seule jonction JJ4 (IC(S QU ID) ∼ 1200 µA). Une comparaison des ces
deux SQUID sur deux puces différentes est représentée dans la figure 5.14 donnant une idée de la reproductibilité de ces anomalies. L’effet Josephson étant observé, on a évalué expérimentalement l’inductance de chaque SQUID par deux méthodes :
1. soit on mesure le courant critique du SQUID pour chaque valeur du courant pas- sant dans la ligne de contrôle et ainsi on peut représenter l’interférence du courant critique en fonction du courant de contrôle.
5La bobine n’est pas calibrée en champ.
6Les résonances (marches sur la caractéristique I(V) au dessous de la tension de gap) sont dues à l’ex- citation du résonateur formé par la ligne de contact de la contre-électrode et le plan de masse auquel la jonction est connectée.
5.3 – Test quasi-statique des jonctions et des SQUIDs Nb
F. 5.13. Comparaison des caracté- ristiques I(V) mesurées sur la même puce pour la jonction JJ4 avec résis- tance de shunt et pour les deux SQUID (JTL et TFF) réalisés chacun avec deux jonctions JJ4 shuntées (ici l’influence
du shunt apparaît clairement).
F. 5.14. Comparaison des caracté- ristiques I(V) mesurées sur les deux SQUID (JTL et TFF) sur deux puces de deux wafers différents. Les courbes
sont quasi-identiques.
2. soit on mesure directement la tension moyenne aux bornes du SQUID, lorsque l’on injecte un courant triangulaire comme courant de contrôle et on polarise le SQUID aux dessus de son courant critique.
La figure 5.15 montre l’interférence du SQUID de la ligne de transmission Josephson mesurée par la première méthode pour le courant critique positif et le courant critique négatif. Les figures 5.16 et 5.17 montrent ce phénomène par la deuxième méthode res- pectivement pour le SQUID de la JTL et celui qui évalue l’inductance du T-FF (plus élevée). La période de cette interférence est inversement proportionnelle à l’inductance de la boucle du SQUID. D’après l’équation 1.49 on peut calculer les valeurs des induc- tances. Le tableau 5.6 compare les inductances calculées à partir des expériences et les résistances mesurées7ainsi que l’écart relatif par rapport aux simulations calculé comme
suit :
Ecart = XE xp− XCal XCal
(5.2) D’après le tableau 5.68 l’erreur et l’incertitude commises sur les calculs et les mesures 7La valeur de la résistance de shunt de la jonction JJ6 a été mesurée suite au claquage de la jonction même, se comportant alors comme un circuit ouvert.
F. 5.15. Interférence du courant critique (positive et négative) du SQUID de la ligne de transmission Josephson (JTL) en fonction du courant de contrôle. On mesure une période
1 mA pour les des courants, qui correspond à 2,07 pH.
F. 5.16. Mesure de l’interférence de la tension du SQUID de la JTL en fonc- tion du courant de contrôle pour trois courants de polarisation différents. On retrouve la même période que celle me- surée sur le même dispositif dans la fi-
gure 5.15.
F. 5.17. Mesure de l’interférence de la tension du SQUID du TFF en fonction du courant de contrôle pour trois courants de polarisation différents. Le SQUID présente une inductance de 3,95 pH correspondant à une période
5.3 – Test quasi-statique des jonctions et des SQUIDs Nb
T. 5.6. T ´ ´ - ´ ´ ` 4,2 K S1 KL999 ´ HYPRES
Element ValuerCal ValeurE xp Ecart
L(SQUID_JTL) 2,32 pH 2,07 pH 10,7% L(SQUID_TFF) 4,35 pH 3,95 pH 9,1%
Rsh(JJ6) 8,2 Ω 7,94 Ω 3,2%
R(Bias1) 5,5 Ω 5,24 Ω 4,7%
R(Bias2) 8,64 Ω 8,52 Ω 1,4%
des inductances est égale ou inférieur à 10% et pour les résistances inférieure à 5%. Ces résultats sont très encourageants car on a pu valider pour la première fois l’environnement de conception et confirmer encore le fonctionnement de l’environnement de conception et de test mis en place pendant la thèse. D’autre part il reste encore à expliquer le com- portement des jonctions Nb/AlOX/Nb non shuntées intentionnellement car aucune hysté-
résis n’est visible sur les caractéristiques I(V) et la valeur du courant critique mesurée (∼ 600 µA) n’est pas celle prévue (∼ 185 µA) par le dessin et les spécifications du procédé de HYPRES. Une explication possible donnée par le responsable de la fonderie même, serait la présence d’un via (reporté dans la figure 5.18) resté sur le dessin et qui crée un court-circuit supraconducteur lors de la prise de contacts sur l’interconnexion de la contre-électrode de la jonction. Ce via mis par erreur n’a aucun intérêt à y être. Il est dessiné sur le même masque (I1B dans le tableau 5.1) qui définit l’ouverture dans les deux couches de silice couvrant la résistance, la contre-électrode et l’électrode de base. Cependant si l’on se réfère aux règles du procédé de fonderie HYPRES (tableau 5.1), ce via n’est sensé faire qu’une ouverture sur les deux seules couches de SiO2 qui permet
d’accéder aux résistances et aux jonctions sans toucher la troisième couche de silice la plus enterrée qui couvre le plan de masse. Selon la fonderie HYPRES, une gravure trop profonde des couches de silice pourrait former des courts-circuits du niveau d’intercon- nexion (M2) au plan de masse (M0) et ainsi créer un pont supraconducteur en parallèle avec la jonction. Cela reste encore une question ouverte, car cette explication suppose que la fonderie a transgressé ses propres règles. Ainsi, ayant procédé par cellules lors du dessin, ce via est présent sur toutes les prises de contacts des jonctions et des SQUIDs et cela pourrait expliquer pourquoi en sortie du DC/DC et du diviseur de fréquence testés on voit toujours un court-circuit.
Cette erreur corrigée on demandera des nouvelles puces HYPRES à tester. Cela per- mettra de vérifier l’amortissement apporté par la résistance de shunt sur la jonction hysté- retique. Après une nouvelle mesure des inductances des SQUIDs on pourrait simuler les
8Ce tableau ne justifie pas les larges dispersions de la densité de courant critique et des résistances observées sur les caractéristiques des jonctions et des SQUIDs.
Via (I1B) entre M2 et I1C/R2/M1 M2 GND GND M2
a)
b)
Via (I1B) entre M2 et I1C/R2/M1
M2
GND GND
M2
a)
b)
F. 5.18. a) Photographie de la jonction JJ4, fabriqué par la fonderie HYPRES, avec sa résistance de shunt et ses interconnexions sur le niveau M2 qui permettent l’accès électrique pour le test. b) Dessin de cette jonction, réalisé pendant la thèse, où le via (sur le niveau I1B) est bien visible et n’a pas été retiré des dessins ; c’est la cause probable du
mauvais fonctionnement de la jonction.
circuits RSFQ en utilisant les courants critiques et les inductances mesurées pour trou- ver le point de polarisation. On pourra donc exploiter le circuit DC/DC et déjà avoir un premier retour sur les simulations effectuées avec JSIM. On pourra enfin vérifier à l’oscil- loscope et à l’analyseur de spectre le bon fonctionnement du diviseur à 4,2 K et évaluer enfin sa caractéristique I(V) afin de trouver la limite de la fréquence de fonctionnement. Le registre à décalage pourra aussi être mesuré à basse fréquence.