Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit werden die Transporteigenschaften
Halbleiter-gekoppelter weak links experimentell untersucht. Die
Supraleiterelektroden aus Nb sind über das quasi zweidimensionale
Elektronengas in der Inversionsschicht auf p-Typ InAs miteinander verbunden.
Durch ein neuartiges Präparationsverfahren erreichen wir Abstände
zwischen
den Nb-Elektroden, die deutlich unterhalb der normalleitenden Kohärenzlänge
des Halbleiters liegen. Daher sind die Eigenschaften dieser Kontakte
großteils durch die Nb/InAs Grenzflächen bestimmt. Sowohl durch
Einzelheiten in den Präparationsbedingungen als auch durch ihr
experimentelles
Verhalten sind die untersuchten Bauelemente deutlich in zwei Gruppen
unterschiedlicher Grenzflächenqualität einzuordnen.
In den Bauelementen mit Grenzflächen hoher Qualität werden hohe IcRN
Produkte bis zu mehr als 1 mV und Excess-Ströme derselben Größenordnung
erreicht. Aus der Untersuchung der `subharmonic energy gap structure' (SGS) in
diesen Proben schließen wir auf eine induzierte Energielücke in der
Zustandsdichte der Nb-bedeckten Teile der Inversionsschicht.
Das gleiche Modell einer induzierten Energielücke beschreibt auch gut die
Temperaturabhängigkeit des kritischen Stromes. Die aus den
experimentellen
Daten abgeleiteten Modellparameter sind jedoch etwas unterschiedlich zu
den aus der SGS-Analyse erhaltenen.
Der in unseren Kontakten vorhandene überlappende Teil der Nb-Elektroden
ist äquivalent zu einem Mikrowellen-Hohlraumresonator. Eine Wechselwirkung
des ac-Josephson Effekts mit den Hohlraummoden kann in der dc-Charakteristik
beobachtet werden, wenn die Josephson-Frequenz mit einer der Resonanzfrequenzen
des Hohlraums übereinstimmt. Die Wechselwirkungsstärke hängt empfindlich
vom angelegten Magnetfeld ab. Wir stellen ein Modell vor, das die Spannungswerte
und die Magnetfeldabhängigkeit der Resonanzen gut wiedergibt. Die beobachtete
Form der Resonanzen weicht jedoch von der Vorhersage ab.
Wenn wir den Einfluß des ac-Josephson Effekts auf die
Strom-Spannungs-Charakteristiken unser Kontakte mit den Vorhersagen des
`resistively shunted junction' (RSJ)-Modells vergleichen, so finden wir
ausgeprägte Unterschiede. Dies kann durch eine von den Annahmen des
RSJ-Modells deutlich verschiedene Dynamik hochtransmissiver weak links
verursacht sein.
In the present work, transport properties of semiconductor-coupled weak links are investigated experimentally. The Nb superconducting electrodes are coupled by the quasi two-dimensional electron gas in the p-type InAs inversion layer. By a novel preparation procedure, we achieve distances between the Nb electrodes considerably below the normal coherence length of the semiconductor. Therefore, the properties of these devices are largely determined by the Nb/InAs interfaces. By details of their preparation conditions as well as by their experimental characteristics, the investigated junctions are clearly separated in two groups of different interface quality. In the junctions with high-quality interfaces, we achieve large IcRN products of above 1 mV and large excess currents of the same order of magnitude. From the analysis of the subharmonic energy gap structure (SGS) in these samples, we conclude that an energy gap is induced in the density of states of the parts of the inversion layer covered by Nb. The same model of an induced energy gap accounts well for the temperature dependence of the critical current. However, the parameters of the model obtained from the experimental data are somewhat different from those of the SGS analysis. The overlapping part of the Nb electrodes present in our junctions is equivalent to a microwave cavity. When the Josephson frequency corresponds to one of the cavity resonances, an interaction of the ac Josephson effect with the cavity mode can be observed in the dc characteristics. The strength of the interaction sensitively depends on magnetic field. We present a model that accounts well for the voltage position and magnetic-field dependence of the resonances. However, the observed resonance shapes deviate from the prediction. When we compare the influence of the ac Josephson effect on current-voltage characteristics of our junctions to the predictions of the `resistively shunted junction' (RSJ) model, we find marked discrepancies. This may be caused by a considerably different dynamics of highly transmissive weak links from that assumed in the RSJ model.