In der vorliegenden Arbeit werden Transport- und Mikrowelleneigenschaften von nanostrukturierten Supraleiter/Normalleiter/Supraleiter (SNS) Josephson-Kontakten auf zwei verschiedenen Materialsystemen präsentiert. Die supraleitenden Nb-Elektroden sind über ein quasi zweidimensionales Elektronensystem (2DES) schwach gekoppelt. Dieses dient als Normalleiter und befindet sich zum einen im Inversionskanal von p-Typ InAs-Einkristallen, zum anderen wird das 2DES im InAs-Kanal modulationsdotierter InAs-Heterostrukturen benutzt. Spezielle Präparationstechniken ermöglichen auf beiden Halbleitersystemen die Herstellung von Elektroden, deren Abstand deutlich unter der jeweiligen supraleitenden Kohärenzlänge liegt. Der Elektronentransport ist somit ballistisch, und die Eigenschaften der Kontakte werden entscheidend von der Beschaffenheit der Grenzfläche und der Ladungsträgerdichte im 2DES bestimmt. Die Herstellung hochtransparenter SN-Genzflächen wird durch einen optimierten, dreistufigen Sputterprozess ermöglicht.
Die untersuchten, ballistischen SNS-Kontakte zeichnen sich durch große Exzess-Ströme, ausgeprägte, sogenannte subharmonic gap structures und hohe charakteristische Spannungen aus. Mit Hilfe geeigneter Modelle können spezifische Parameter wie die kritische Temperatur, die Größe der supraleitenden Energielücke und die Transparenz der Grenzfläche aus den Messdaten gewonnen werden. Über den Feldeffekt können mittels einer Gateelektrode, die oberhalb des 2DES strukturiert wird, Supraströme komplett unterdrückt werden. Die Form des Fraunhofer-Musters lässt Rückschlüsse auf die Stromverteilung zu. Zusätzlich ist die Fabrikation und Charakterisierung eines schwach gekoppelten Nb/Nb(Einschnürung)/Nb-Kontakts gelungen.
Unter Mikrowelleneinstrahlung bilden sich ausgeprägte Shapiro-Stufen in den direkten Kennlinien aus. Das phänomenologische RCSJ-Modell wurde erweitert, um dem Auftreten von großen Exzess-Strömen in diesen Kontakten Rechnung zu tragen. Damit lassen sich die Temperatur- und Leistungsabhängigkeit der Stufenbreiten quantitativ beschreiben. Der Über-lapp der Nb-Elektroden auf Einkristallen bildet einen Resonator und ermöglicht das Auftreten von Eigenresonanzen. Auch hierfür wird ein angepasstes RSJ-Modell vorgestellt.
Zum direkten Nachweis gebundener Andreev-Zustände wird ein Injektionsexperiment in einem ballistischen SNS-Dreitorbauelement vorgestellt. Maxima in der differentiellen Leitfähigkeit zwischen Injektor und Supraleiter können als deutliches Indiz für resonantes Tunneln von injizierten Elektronen in die Andreev-Zustände interpretiert werden.
In the present work transport and microwave properties of nanostructured superconductor/normal conductor/superconductor (SNS) Josephson junctions on two different material systems are presented. The superconducting niobium (Nb) electrodes are weakly coupled by the quasi two-dimensional electron system (2DES) in either the inversion layer of p-type InAs single crystals or in the InAs channel of modulation-doped heterostructures. The 2DES serves as normal conductor. On both semiconductor systems, special preparation techniques allow for the fabrication of electrode separations smaller than their superconducting coherence lengths. Therefore, the electron transport is ballistic and the junction properties decisively depend on the quality of the SN interfaces and the charge carrier density of the 2DES. Highly transparent interfaces can be achieved with an optimized three-step sputter process.
The ballistic SNS junctions reveal large excess currents, pronounced subharmonic gap structures and high characteristic voltages. Fits with suitable models yield junction parameters like the critical temperature of the contact, the value of the superconducting energy gap of Nb and the SN interface transparency. Supercurrents can be suppressed by means of the field effect using plane gates on top of the N layer. From the form of the Fraunhofer pattern the shape of the current distribution can be deduced. In addition, a Nb/Nb(constriction)/Nb weak link has been prepared and characterized.
Under microwave irradiation distinct Shapiro steps occur in the direct current--voltage characteristics. A resistively and capacitively shunted junction (RCSJ) model has been extended in order to account for large excess currents that occur in these junctions. This RCSJ+EX model describes the temperature and power dependence of the Shapiro step widths quantitatively. On single crystals self-resonances occur due to the presence of an internal microwave resonator built by the overlap of the Nb electrodes. An adopted RSJ model with resonators is introduced to describe these so-called Fiske steps.
For the direct observation of Andreev bound states an injection experiment using a ballistic, three-terminal SNS device is presented. Distinct peaks in the differential conductance between the injector and the superconductor can be interpreted as a clear fingerprint of resonant tunneling of hot carriers into Andreev bound states.