Fabbricazione e caratterizzazione di superconduttori risonatori
Summary
Superconduttori risonatori a microonde sono di interesse per il rilevamento di applicazioni calcolo quantistico leggeri e caratterizzazione dei materiali. Questo lavoro presenta una procedura dettagliata per la fabbricazione e la caratterizzazione di superconduttori a microonde parametri risuonatore di scattering.
Abstract
Superconduttori risonatori a microonde sono di interesse per una vasta gamma di applicazioni, tra cui per il loro uso come rivelatori microonde induttanza cinetica (MKIDs) per il rilevamento di firme astrofisici deboli, nonché per applicazioni di calcolo quantistica e caratterizzazione dei materiali. In questo lavoro, le procedure sono presentati per la fabbricazione e la caratterizzazione di film sottile risonatori a microonde superconduttore. La metodologia di fabbricazione permette la realizzazione di superconduttore risonatori trasmissione linea con le caratteristiche su entrambi i lati di un atomicamente liscio dielettrico silicio monocristallino. Questo lavoro descrive la procedura per l'installazione dei dispositivi risonatore in un forno testbed criogenico e raffreddamento sotto della temperatura di transizione superconduttore. Il set-up del microonde testbed criogenico permette di fare misurazioni accurate del complesso trasmissione microonde di questi dispositivi risonatori, consentendo l'estrazione della properties delle linee superconduttori e substrato dielettrico (ad esempio, fattori di qualità interni, perdita e frazioni induttanza cinetica), che sono importanti per la progettazione del dispositivo e le prestazioni.
Introduction
I progressi nella strumentazione astrofisica hanno recentemente introdotto superconduttori risonatori a microonde per il rilevamento di luce infrarossa 1 -. 4 A superconduttore risuonatore risponderà alla radiazione infrarossa di energia E = hv> 2Δ (dove h è la costante di Planck, v è la frequenza di radiazione e Δ è l'energia gap superconduttore). Quando il risonatore viene raffreddato ad una temperatura ben al di sotto della temperatura critica superconduttore, questa radiazione incidente rompe coppie di Cooper nel volume risonatore e genera eccitazioni quasiparticella. L'aumento della densità di eccitazioni quasiparticella cambia l'induttanza cinetica, e quindi l'impedenza complessa superficie del superconduttore. Questa risposta ottica è osservato come uno spostamento nella frequenza di risonanza di frequenza inferiore e una riduzione del fattore di qualità del risonatore. Nella canonica schema di read-out per un forno a microonde vaccherivelatore induttanza tic (MKID), il risonatore è accoppiato ad una linea di alimentazione a microonde e un monitoraggio del complesso di trasmissione attraverso la linea di alimentazione in un singolo tono frequenza delle microonde sulla risonanza. Qui, la risposta ottica è osservato come una variazione sia l'ampiezza e la fase di trasmissione di 5 (Figura 1). Schemi di frequenza-dominio multiplexing sono in grado di leggere le schiere di migliaia di risonatori. 6-7
Per progettare e realizzare strumentazione basata superconduttore-risonatore con successo, le proprietà di queste strutture risonanti devono essere caratterizzati in modo accurato ed efficiente. Ad esempio, misure di precisione delle caratteristiche di rumore, fattori di qualità Q, frequenze di risonanza (compresa la loro dipendenza dalla temperatura) e le proprietà ottiche di risposta risonatori superconduttori sono desiderati nel contesto MKID fisica dei dispositivi, 8 quantum computing, 9 e la determinazione di bassa TEmateriali mperature proprietà. 10
In tutti questi casi, la misurazione dei parametri di scattering trasmissione complessi del circuito è desiderato. Questo lavoro si concentra sulla determinazione del coefficiente di trasmissione complessa del risuonatore, S 21, la cui ampiezza e di fase può essere misurata con un analizzatore di rete vettoriale (VNA). Idealmente, il piano di riferimento VNA (o porto test) sarebbe direttamente collegato al dispositivo in prova (DUT), ma un ambiente criogenico normalmente richiede l'utilizzo di strutture di linea di trasmissione supplementari per realizzare un taglio termico tra RT (~ 300 K) e la fase fredda (~ 0,3 K in questo lavoro, vedi fig ure 2). Ulteriori componenti a microonde, quali accoppiatori direzionali, circolatori, isolatori, amplificatori, attenuatori, e cavi di interconnessione associati possono essere necessari per preparare in modo appropriato, eccitare, leggere e pregiudizi il dispositivo di interesse. Ilvelocità di fase e le dimensioni di questi componenti variano durante il raffreddamento da stanza a temperature criogeniche, e quindi influenzano la risposta osservata al piano di calibrazione del dispositivo. Questi componenti che intervengono tra lo strumento e l'influenza piano di calibrazione dispositivo complesso guadagno e hanno bisogno di essere adeguatamente rappresentato in sede di interpretazione della risposta misurata. 11
In teoria, un sistema è necessario che imposta il piano di riferimento di misura, identico a quello impiegato durante la calibrazione, al DUT. Per raggiungere questo obiettivo, si potrebbe misurare gli standard di calibrazione su più cool-bassi; tuttavia, questo pone vincoli sulla stabilità del VNA e la ripetibilità dello strumento criogenico, che sono difficili da raggiungere. Per attenuare queste preoccupazioni, si potrebbe posizionare gli standard necessari per l'ambiente di test raffreddato e passare da uno all'altro. Questo è, ad esempio, simile a quello che si trova in stazioni sonda a microonde, Dove gli standard campione e calibrazione vengono raffreddate a 4 K da un flusso continuo di elio liquido o un sistema a ciclo chiuso di refrigerazione. 12 Questo metodo è stato dimostrato a temperature sub-Kelvin, ma richiede una bassa potenza, ad alte prestazioni interruttore microonde nella Test banda di interesse. 13
Una procedura di calibrazione in-situ è quindi desidera che rappresenta la risposta di trasmissione strumentale tra il piano di riferimento VNA e il piano di calibrazione del dispositivo (fig ure 2) e che superi le limitazioni dei metodi sopra descritti. Questo metodo di taratura criogenico, presentato e discusso in dettaglio in Cataldo et al. 11, permette di caratterizzare più risonatori su un'ampia gamma di frequenza rispetto alla larghezza della linea risonatore e spaziatura tra risonatore con una precisione di ~ 1%. Questo articolo si concentrerà sui dettagli del fabbricazione campione e preparazioneprocessi arazione, sperimentali procedure di prova di set-up e di misurazione utilizzati per caratterizzare risonatori a microonde superconduttori con geometrie linea planare. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
Il processo di fabbricazione singolo-flip fornisce un mezzo per realizzare risonatori superconduttivi su entrambi i lati di un sottile singolo cristallo substrato di Si 0,45 micron. Uno può essere motivati a utilizzare un singolo cristallo Si dielettrico perché ha più di un ordine di grandezza minore perdita di dielettrici depositati (come Si 3 N 4) con tangenti perdita nell'intervallo 4,0-6,5 GHz <1 x 10 – 5. 23-24 La capacità di modello presenta su entrambi …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono sostegno finanziario dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA) s 'ROSES e programmi APRA. GC riconosce anche l'Università Spazio Research Association per amministrare la sua nomina alla NASA.
Materials
| Microposit S-1811 Photoresist | Shipley | ||
| BCB | Dow | 3022-35 | |
| SOI wafers | SOITec | Fabricated with SmartCutTM process | |
| Mo | Kamis | 99.99% | |
| Nb | Kamis | 99.95% (excludes Ta) | |
| E-6 metal etch w/AES | Fujifilm | CPG Grade | |
| Acetone | JT Baker | 9005-05 | CMOS Grade |
| HF dip (1:10) | JT Baker | 5397-03 | |
| PMMA | Microchem | 950 PMMA A2 | |
| GE 7031 | General Electric | Low-temperature adhesive | |
| Cryogenic Microwave Amplifier | MITEQ | AF S3-02000400-08-CR-4 | 2-4 GHz, gain ~30dB |
| NbTi Semi-rigid SMA cables | Coax. Co. | SC-086/50-NbTi-NbTi | |
| Circulator | PamTech | CTD1229K | return loss > -20 dB from 2-4 GHz |
| RF attenuator | Weinschel | Model-4M | 7 dB attenuation |
| Flexible SMA cables | Teledyne-Storm | R94-240 | ACCU-TEST |
| Vector Network Analyzer | Agilent | N5242A PNA-X | |
| Liquid He-4 cryogen | Praxair | ||
| Liquid N2 cryogen | Praxair |
Riferimenti
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