超伝導共振器の作製と評価
Summary
超電導マイクロ波共振器は、光、量子コンピューティングアプリケーションおよび材料特徴付けの検出のために重要です。この作品は、製作と超伝導マイクロ波共振器の散乱パラメータの特性評価のための詳細な手順を示します。
Abstract
超電導マイクロ波共振器は、かすかな天体のシグネチャを検出するためのマイクロ波の運動インダクタンス検出器（MKIDs）としてのそれらの使用を含め、ならびに量子コンピューティング・アプリケーションと材料特性評価、アプリケーションの広い範囲のために重要です。本論文では、手順は、薄膜超伝導マイクロ波共振器の製造および特徴付けのために提示されています。製造方法は、原子的に平滑な単結晶シリコン誘電体の両側に特徴を有する伝送線路共振器を超伝導の実現を可能にします。この作品は、極低温マイクロ波テストベッドへと超伝導転移温度以下でクールダウンのための共振器デバイスをインストールするための手順を説明します。極低温マイクロ波テストベッドのセットアップは、PRの抽出を可能にする、1は、これらの共振器デバイスの複雑なマイクロ波伝送の慎重な測定を行うことができますデバイスの設計および性能のために重要である超電導線と誘電体基板（ 例えば 、内部品質係数、損失および運動インダクタンス分画）、のoperties。
Introduction
天体物理計測器の進歩は、赤外光の検出のために最近導入された超伝導マイクロ波共振器を持つ1 – 4超伝導共振器は、エネルギーの赤外線E = HV>2Δ（hはプランク定数、vは電磁波の周波数である、Δがあるに応答します超伝導ギャップエネルギー）。共振器が十分に超電導臨界温度以下に冷却されると、この入射光は、共振器体積のクーパー対を破壊し、準粒子励起を生成します。準粒子励起の密度の増加は、運動インダクタンスが変化し、従って、超伝導体の複合体表面インピーダンス。この光反応は、より低い周波数の共振周波数のシフトと共振器の品質係数の減少として観察されます。マイクロ波雌牛のための標準的な読み出し方式でチックインダクタンス検出器（MKID）、共振器は、マイクロ波給電線に結合され、1つは、共振上の単一のマイクロ波周波数トーンで、この給電線を介して複雑な伝送を監視します。ここでは、光学応答は、振幅及び変速機5（ 図1）の位相の両方の変化として観察されます。周波数領域の多重化方式は、共振器の数千の配列を読み出すことが可能である。6-7
成功した超伝導共振器ベースの計測器を設計し、実装するには、これらの共振構造の特性を正確かつ効率的に特徴づけする必要があります。例えば、ノイズ特性の精密な測定は、品質がMKIDデバイス物理学、8量子コンピューティング、9のコンテキストと低の決意に望まれているQ、（それらの温度依存性を含む）の共振周波数と超伝導共振器の光学応答特性因子テmperatureの材料特性。10
これらの場合の全てにおいて、回路の複雑な伝送散乱パラメータの測定が望まれています。この作業は、振幅と位相ベクトルネットワークアナライザ（VNA）を用いて測定することができ、共振器の複素透過係数、S 21の決意に集中します。理想的には、VNAの基準面（又はテストポート）に直接被試験デバイス（DUT）に接続されるが、低温設定は、通常RT間に断熱層を実現するために、追加の伝送線路構造の使用を必要とする（〜300 K）とコールドステージ（この作業中〜0.3 K; 図の URE 2を参照してください）。そのような方向性結合器、サーキュレータ、アイソレータ、増幅器、減衰器、および関連する相互接続ケーブルのような追加のマイクロ波構成要素を適宜調製励起、目的のデバイスを読み出してバイアスするために必要とされてもよいです。ザ部屋から極低温に冷却したときに位相速度およびこれらの構成要素の寸法が変化し、したがって、それらは、デバイスの校正面で観測された応答に影響を与えます。機器およびデバイスの校正面との間にこれらの介在部品は、複雑なゲインに影響を与え、適切に測定された応答の解釈において考慮される必要がある。11
理論的には、スキームがDUTに、キャリブレーション時に用いたものと同一の測定基準面を設定することが必要とされます。この目標を達成するためには、複数のクールダウン以上の校正標準を測定することができます。しかしながら、これは達成が困難であるVNAの安定性と低温機器の再現性に制約を課します。これらの問題を軽減するためには、冷却されたテスト環境で必要な基準を配置し、それらを切り替えることができました。これは、例えば、マイクロ波プローブステーションに見られるものと類似していますサンプル及び較正標準は12、この方法は、サブケルビン温度で実証された。連続液体ヘリウム流または閉サイクル冷凍システムにより、4 Kに冷却が、低消費電力、高性能マイクロ波スイッチを必要としている場合テスト目的のバンド。13
その場較正手順は、従って、VNAの基準面と、上記の方法の限界を克服する装置校正面（ 図の URE 2）との間の楽器送信応答を考慮することが望まれます。この低温較正方法、提示さカタルドら 11で詳細に議論は、一つの広い〜1％の精度で共振線幅と共振器間の間隔と比較して周波数範囲にわたって複数の共振器を特徴づけることを可能にします。本稿では、サンプルの製造および準備の詳細に焦点を当てますarationプロセス、実験的テストセットアップ及び測定手順は、平面線路形状と超電導マイクロ波共振器を特徴づけるために使用される。11
Protocol
Representative Results
Discussion
単一フリップ製造プロセスは、薄い0.45μmの単結晶Si基板の両面に超伝導共振器を実現するための手段を提供します。それは4.0から6.5 GHzの範囲の損失正接<1×10で（例えば、Si 3 N 4など）に堆積誘電体よりも一桁低い損失以上のものを持っているので一つは、単結晶Siの誘電体を使用するのやる気かもしれ– 5。パターンへの能力は、この基板の両面に備え23-24は …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者は、アメリカ航空宇宙局（NASA）のバラとAPRAプログラムから資金援助を認めます。 GCはまた、NASAで彼の予定を管理するための大学宇宙研究協会を認めています。
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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