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.