Fabrication et caractérisation de supraconductrices Resonators
Summary
Supraconductrices résonateurs à micro-ondes présentent un intérêt pour la détection des applications de calcul quantique et la caractérisation des matériaux légers. Ce travail présente une procédure détaillée pour la fabrication et la caractérisation des micro-ondes supraconducteur paramètres de diffusion de résonateur.
Abstract
Supraconductrices résonateurs à micro-ondes sont d'intérêt pour un large éventail d'applications, y compris pour leur utilisation comme détecteurs à micro-inductance cinétique (MKIDs) pour la détection de signatures astrophysiques faibles, ainsi que pour les applications de calcul quantique et la caractérisation des matériaux. Dans cet article, les procédures sont présentées pour la fabrication et la caractérisation de couches minces supraconducteurs micro-ondes résonateurs. La méthode de fabrication permet la réalisation de résonateurs de ligne de transmission supraconducteurs avec des caractéristiques sur les deux côtés d'un monocristal de silicium diélectrique atomiquement lisse. Ce travail décrit la procédure pour l'installation de dispositifs résonateurs dans un four micro-ondes testbed cryogénique et de refroidissement en dessous de la température de transition supraconductrice. La mise en place du micro-ondes testbed cryogénique permet de faire des mesures précises de la transmission par micro-ondes complexe de ces dispositifs résonateurs, permettant l'extraction de la properties des lignes supraconductrices et de substrat diélectrique (par exemple, des facteurs de qualité internes, les pertes et les fractions d'inductance cinétique), qui sont importantes pour la conception et la performance appareil.
Introduction
Les progrès de l' instrumentation astrophysiques ont récemment introduit supraconducteurs résonateurs à micro – ondes pour la détection de la lumière infrarouge 1 – 4. Un supraconducteur résonateur répondra à un rayonnement infrarouge de l' énergie E = hv> 2Δ (où h est constante, v de Planck est la fréquence de rayonnement et Δ est l'énergie de gap supraconducteur). Lorsque le résonateur est refroidi à une température bien inférieure à la température critique du supraconducteur, ce rayonnement incident rompt les paires de Cooper dans le volume du résonateur et génère des excitations quasiparticules. L'augmentation de la densité des quasi-particules excitations modifie l'inductance cinétique et donc l'impédance complexe de la surface du supraconducteur. Cette réponse optique est observée comme un changement dans la fréquence de résonance à basse fréquence et une réduction du facteur de qualité du résonateur. Dans le schéma canonique de lecture pour un kine à micro-ondesDétecteur d'inductance tic (mKid), le résonateur est couplé à une ligne d'alimentation à micro-ondes et une transmission surveille le complexe à travers cette ligne d'alimentation à une seule tonalité de fréquence micro-onde sur la résonance. Ici, la réponse optique est observée comme un changement dans l'amplitude et la phase de transmission 5 (figure 1). Les systèmes de multiplexage dans le domaine fréquentiel sont capables de lire les tableaux de milliers de résonateurs. 6-7
Pour concevoir et mettre en œuvre des instruments à base de supraconducteurs résonateur avec succès, les propriétés de ces structures résonnantes doivent être caractérisés avec précision et efficacité. Par exemple, des mesures de précision sur les propriétés du bruit, les facteurs de qualité Q, les fréquences de résonance (y compris la dépendance de la température) et les propriétés de réponse optique des résonateurs supraconducteurs sont souhaités dans le cadre de mKid physique du dispositif, 8 informatique quantique, 9 et la détermination de faibles tematériaux de mpérature propriétés. 10
Dans tous ces cas, la mesure de la complexité des paramètres de diffusion de la transmission du circuit est souhaitée. Ce travail se concentre sur la détermination du coefficient de transmission complexe du résonateur, S 21, dont l' amplitude et la phase peut être mesurée avec un analyseur de réseau vectoriel (VNA). Idéalement, le plan de référence VNA (ou port d'essai) serait relié directement au dispositif sous test (DUT), mais un réglage cryogénique nécessite normalement l'utilisation de structures de lignes de transmission supplémentaires pour réaliser une rupture thermique entre RT (~ 300 K) et la phase froide (~ 0,3 K dans ce travail; voir Fig ure 2). composants hyperfréquences supplémentaires tels que des coupleurs directionnels, des circulateurs, des isolateurs, des amplificateurs, atténuateurs, et les câbles d'interconnexion associés peuvent être nécessaires pour préparer de manière appropriée, exciter, lire et le biais du dispositif d'intérêt. leles vitesses et les dimensions de ces éléments varient en phase lors du refroidissement de la pièce à des températures cryogéniques, et par conséquent, ils affectent la réponse observée au niveau du plan d'étalonnage de l'appareil. Ces composants intermédiaires entre l'instrument et l'influence dispositif d' étalonnage de plan le gain complexe et doivent être pris en compte de manière appropriée dans l'interprétation de la réponse mesurée. 11
En théorie, un dispositif est nécessaire qui définit le plan de référence de mesure, identique à celui employé lors de l'étalonnage, à l'objet à tester. Pour atteindre cet objectif, on pourrait mesurer les normes d'étalonnage sur plusieurs cool-bas; Cependant, cela pose des contraintes sur la stabilité du VNA et la reproductibilité de l'instrument cryogénique, qui sont difficiles à atteindre. Pour atténuer ces préoccupations, on pourrait placer les normes nécessaires dans l'environnement de test refroidi et basculer entre eux. Ceci est, par exemple, similaire à ce qu'on trouve dans les stations de sonde à micro-ondes, Où les normes d'échantillonnage et d' étalonnage sont refroidis à 4 K par un flux d'hélium liquide continu ou un système de réfrigération fermé de cycle. 12 Cette méthode a été démontrée à des températures sous-kelvin , mais nécessite une faible puissance, haute performance commutateur de micro – ondes dans le test de bande d'intérêt. 13
Une procédure d' étalonnage in-situ est donc souhaité qui représente la réponse instrumentale de transmission entre le plan de référence VNA et le plan d'étalonnage de l' appareil (fig ure 2) , et qui surmonte les limitations des méthodes décrites ci – dessus. Cette méthode d'étalonnage cryogénique, présenté et discuté en détail dans Cataldo et al. 11, permet de caractériser plusieurs résonateurs sur une large gamme de fréquences par rapport à la largeur de la ligne de résonateur et l' espacement inter-résonateur avec une précision de ~ 1%. Ce document mettra l'accent sur les détails de la fabrication d'échantillons et de préparationprocessus de paratifs, des procédures Test set-up et de mesure expérimentales utilisées pour caractériser résonateurs supraconducteur à micro – ondes avec des géométries de ligne plane. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
Le procédé de fabrication simple bascule fournit un moyen pour réaliser des résonateurs supraconducteurs des deux côtés d'un substrat en silicium monocristallin 0,45 um mince. On peut être motivé à utiliser un Si monocristallin diélectrique , car il a plus d'un ordre de grandeur inférieure à la perte diélectriques déposées (tels que Si 3 N 4) avec tangentes de perte dans la gamme 4,0-6,5 GHz <1 x 10 – . La capacité 23 au 24 mai le modèle …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs reconnaissent le soutien financier de ROSES la National Aeronautics and Space Administration (NASA) s 'et des programmes APRA. GC reconnaît également l'Association de recherche spatiale Universités pour administrer sa nomination à la 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 |
Referências
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