Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4161
Cassel, Diego
Entwicklung einer HTSL-Mehrlagentechnologie mit Orientierung an modernen Designmethoden
158 S., 2005
Die in den 80er Jahren entdeckte Flussquantenelektronik (RSFQ) bietet aufgrund ihrer
geringen Verlustleistung und hohen Geschwindigkeiten im Bereich mehrerer hundert
Gigahertz Möglichkeiten für die Herstellung sehr schneller Schaltungen . Die aufgrund der
Flussquantisierung der supraleitenden Schleifen gegebene intrinsische Logik ist dabei
zukunftsweisend .
In Verbindung mit der Hochtemperatursupraleitung (HTSL) stehen hohe charakteristische
Produkte der Josephson-Kontakte zur Verfügung, so dass mit HTSL ein noch größeres
Potential für schnelle Schaltungen bei Temperaturen über denen der konventionellen
Tieftemperatursupraleitung (TTSL) besteht .
Die bisherigen HTSL-RSFQ-Schaltungen wurden nach der Zielsetzung entwickelt, deren
Funktionsfähigkeit zu demonstrieren und zu untersuchen . Eine Technologie, die es ermöglicht
Basiszellen für solche Schaltungen herzustellen, ist mit großen Anforderungen an die
Technologie und das Design verknüpft.
Ein wichtiger Punkt für den Einsatz von HTSL-RSFQ-Schaltungen bei höheren Temperaturen
ist die Berücksichtigung des thermischen Rauschens, das oberhalb von zwanzig Kelvin
starken Einfluss auf das Schaltverhalten nehmen kann. So war es für den Hochtemperaturbereich
notwendig Basiszellen mit hoher Rauschimmunität zu entwerfen. Solche Basiszellen
wurden mit unserem Kooperationspartner in Ilmenau entwickelt .
Für die Technologie bestand eine wesentliche Herausforderung in der Bereitstellung von
Induktivitäten bestimmter supraleitender Schleifen von circa fünf Pikohenry für Temperaturen
um fünfzig Kelvin . Dies konnte durch eine Mehrlagentechnologie mit Grundplatte erreicht
werden. Die so eingebrachten Mikrostreifenleitungen liefern dabei die kleinen Induktivitäten,
die für rauschstabile Zellen notwendig sind . Für eine ausreichende Flexibilität des Designs ist
im Weiteren ein technologisches Verfahren gefunden worden, dass besonders kleine Durchkontakte
zwischen oberer und unterer Elektrode ermöglicht . Alle Schaltungskomponenten
konnten anschließend soweit optimiert werden, bis die Mehrlagentechnologie mit Designrules
zur Verfügung stand .
Die anschließenden Untersuchungen hergestellter Basiszellen konnten die Einsatzfähigkeit
der Technologie unter Beweis stellen . Als Hinweis für deren Eignung für Temperaturen über
fünfzig Kelvin hinaus wird die Messung einer Schaltung mit einem Toggle-Flip-Flop (TFF)
vorgestellt und analysiert.
The Rapid-Single-Flux-Quantum (RSFQ)-logic offers a high potential for circuits with clock
frequencies about some hundreds of gigahertz. With its intrinsic digital logic driven by
quantised flux it has also the advantage of a very low power consumption.
In connection with Josephson-Junctions of High-Temperature-Superconductors (HTS) with a
high energy gap operation speed is expected to get even higher and temperatures above
conventional Low-Temperature-Superconductors (LTS) are useable.
So far HTS-RSFQ-circuits has been developed to demonstrate their function and investigate
their order of working. Development of new technology to give designers the facility to
compose such circuits out of basic cells has been an important and difficult task during the
last years, because of the complexity of getting a suitable technology which guarantees a high
quality for all epitaxially grown thin film-layers. An efficient process has to fulfill high
demands on technology and design issues.
To allow HTSL-RSFQ-circuits to work at higher temperatures the thermal noise has to be
considerated. Especially for temperatures above twenty Kelvin thermal noise has high
influence on the switching behaviour of the gates. Therefore basic cells with high immunity
towards noise had been developed in cooperation with TU-Ilmenau.
One major challenge on technology included the ability to get low inductances for
superconductive loops. Their inductance value has to be about five picohenry at temperatures
around fifty Kelvin.
Demands on technology had been accomplished by a multilayer technology which includes a
groundplane to allow the use of microstiplines to get low inductance values which are
necessary for the immunity of basic cells towards noise. To get high flexibility for design a
new fabrication process to make the use of small vias had been included in the fabrication
process.
After optimisation of all components the multilayer technology with designrules was
practicable and investigations of fabricated basic cells could prove the utilisability of the
developed technology. In addition there are indications for the operation of RSFQ in the
gigahertz range even above the temperature of fifty Kelvin which is demonstated by the
measurement of a circuit with a Toggle-Flip-Flop (TFF).
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