ייצור ואפיון של מהודי מוליכים
Summary
תהודת מיקרוגל מוליכים הם עניין לגילוי ואפיון חומרי יישומי מחשוב אור, קוונטים. עבודה זו מציגה נוהל מפורט ייצור ואפיון פרמטרי פיזור מהוד מיקרוגל מוליכים.
Abstract
תהודת מיקרוגל מוליכים הן בעלי העניין עבור מגוון רחב של יישומים, כולל לשימושם גלאי השראות הקינטית מיקרוגל (MKIDs) לצורך זיהוי של חתימות אסטרופיסיקאליות קלושות, כמו גם עבור יישומי מחשוב קוונטים ואפיון חומרים. במאמר זה, נהלים מוצגים עבור הייצור והאפיון של תהודת מיקרוגל מוליך סרט דק. המתודולוגיה הייצור מאפשרת למימוש מוליכי תהודה-קו תמסורת עם תכונות משני הצדדים של דיאלקטרי סיליקון יחיד גביש חלקה אטומית. עבודה זו מתארת את הליך ההתקנה של התקני מהוד לתוך testbed מיקרוגל קריוגני ועבור מגניבים למטה מתחת לטמפרטורת מעבר מוליך. הסט-אפ של testbed מיקרוגל קריוגני מאפשר לאדם לעשות מדידות זהירות של שידור המיקרוגל המורכב של מכשירי מהוד אלה, מה שמאפשר את המיצוי של properties של קווים מוליכי ואת מצע דיאלקטרי (למשל, גורמי איכות פנימיות, אובדן ושברי השראות קינטית), אשר חשובים בעיצוב ביצועי מכשיר.
Introduction
התקדמות מכשור אסטרופיסיקאליות לאחרונה הציגה תהודת מיקרוגל מוליכים לצורך זיהוי של אור אינפרא אדום 1 -. 4 מהוד מוליך יגיב לקרינה אינפרא אדום אנרגית E = HV> 2Δ (כאשר h הוא, v הקבוע פלאנק הוא תדר קרינת Δ הוא אנרגית הפער המוליכה). כאשר המהוד הוא מקורר לטמפרטורה היטב מתחת לטמפרטורת המוליך הקריטית, קרינת האירוע הזה שובר זוגות קופר בהיקף המהוד ומייצרת את ריגושים קוואזי-חלקיק. הגידול בצפיפות של ריגושים קוואזי-חלקיק משנה את ההשראות הקינטית, וכך עכבת המשטח המורכבת של המוליך. בתגובה אופטית זה הוא ציין גם שינוי תדר התהודה לתדר נמוך וירידת גורם האיכות של המהוד. בתכנית לקריאה החוצה הקנונית עבור ומקןה מיקרוגלהשראות גלאי טיק (MKID), המהוד הוא מצמיד את feedline מיקרוגל אחד מפקח על השידור המורכב באמצעות feedline הזה צליל בתדר מיקרוגל יחיד על תהודה. כאן, התגובה האופטית הוא ציין כשינוי הוא האמפליטודה והפאזה של שידור 5 (איור 1). תוכניות ריבוב תדרים-תחום מסוגלים לקרוא את מערך של אלפי תהודה. 6-7
כדי לעצב בהצלחה וליישם-מהוד מוליך מבוססי מכשור, את המאפיינים של מבני התהודה האלה צריכים להיות מאופיינים בדייקנות וביעילות. לדוגמא, מדידות המדויקות של מאפייני הרעש, איכות גורמי Q, תדרי תהודה (כולל התלות בטמפרטורה שלהם) ואפיין תגובה אופטיים של תהודת מוליך הם רצויות בהקשר של פיזיקת תקן MKID, מחשוב קוונטים 8, 9 והקביעה נמוכה teחומרי mperature נכסים. 10
בכל המקרים הללו, מדידת פרמטרי פיזור שידור המורכב של המעגל היא רצויה. עבודה זו מתרכזת קביעת מקדם העברת הקומפלקס של המהוד, S 21, המשרעת והפאזה אשר ניתן למדוד עם מנתח רשת וקטור (VNA). באופן אידיאלי, מטוס התייחסות VNA (או יציאת בדיקה) יהיה מחובר ישירות למכשיר נבדק (DUT), אבל הגדרה קריוגני בדרך כלל מחייבת שימוש של מבני קו תמסורת נוספים לממש הפסקה תרמית בין RT (~ 300 K) ו בשלב קר (~ 0.3 K בעבודה זו, ראה איור יור 2). רכיבי מיקרוגל נוספים כגון מצמדים כיווניים, circulators, מבודד, מגברים, מנחתים, וכבלים מקשרים הקשורים עשויים להיות נחוצים כדי להכין כראוי, לרגש, הקריא והטיית המכשיר של עניין. המהירות הפאזה ומהירת ממדי רכיבים אלה משתנים כאשר קירור מחדר בקירור, ולכן הם משפיעים על התגובה שנצפתה מטוס כיול מכשיר. רכיבים להתערב אלה בין המכשיר לבין שפעת מטוס כיול מכשיר הרווח המורכב צריכים להיות היוו כראוי עבור בפרשנות של התגובה המדודה. 11
בתיאוריה, תוכנית נדרשת אשר מפרטת את המטוס התייחסות מדידה, זהה לזו המועסקים במהלך הכיול, על הנבדק. כדי להשיג יעד זה, אפשר למדוד את סטנדרטי הכיול מעל מגניבות ומורדות מרובות; עם זאת, זה מציב מגבלות על יציבות VNA ואת הדירות של המכשיר קריוגני, אשר קשה להשיג. כדי למתן את החששות האלה, אפשר למקם את הסטנדרטים הנדרשים בסביבת הבדיקה המקוררת ולעבור ביניהם. זהו, למשל, בדומה למה שנמצא בתחנות בדיקת מיקרוגל, שבו הסטנדרטים המדגמים וכיול הם מקוררים 4 K ידי זרימת הליום נוזלית רציפה או מערכת קירור סגור מחזור. 12 שיטה זו הודגמה בטמפרטורות תת-קלווין אבל דורשים מתג מיקרוגל צריכת חשמל נמוך, בעל ביצועים גבוהים ב מבחן להקה של עניין. 13
הליך כיול in-situ ולכן הוא רצוי המהווה את תגובת השידור אינסטרומנטלי בין מטוס התייחסות VNA ומטוס כיול מכשיר (איור יור 2) ו המתגבר על המגבלות של השיטות שתוארו לעיל. שיטת כיול קריוגני זה, הוצג ונדון בהרחבת Cataldo et al. 11, מאפשרת לאפיין תהודה מרובה על פני טווח תדרים רחב לעומת רוחב קו המהוד וריווח-מהוד היתר עם דיוק של ~ 1%. מאמר זה יתמקד הפרטים של ייצור המדגם הכנהתהליכי aration, נהלי הגדרה ומדידת בדיקה ניסיוניים להשתמש בם כדי לאפיין תהודת מיקרוגל מוליכים בגיאומטריות קו מישוריים. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
תהליך הייצור חד להעיף מספק אמצעי למימוש תהודה מוליכה משני צידי מצע Si 0.45 מיקרומטר יחיד גביש דק. אפשר להיות מוטיבציה להשתמש דיאלקטרי Si יחיד גביש כי יש לו יותר מאשר בסדר גודל ההפסד הנמוך מ דיאלקטריים שהופקדו (כגון Si 3 N 4) עם בסיפורי מעשיות הפסד בטווח 4.0-6.5 ג'יג…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים תמיכת מימון ממנהל התעופה הלאומית שטח (נאס"א) של ורדי תוכניות APRA. GC גם מכיר האגודה לחקר החלל אוניברסיטאות לניהול מינויו בנאס"א.
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
- Monfardini, A., et al. The Néel IRAM KID Arrays (NIKA). J. Low Temp. Phys. 167 (5-6), 834-839 (2012).
- Schlaerth, J. A., et al. The Status of Music: A Multicolor Sub/millimeter MKID Instrument. J. Low Temp. Phys. 167 (3-4), 347-353 (2012).
- Swenson, L. J., et al. MAKO: a pathfinder instrument for on-sky demonstration of low-cost 350 micron imaging arrays. Proc. SPIE. 8452, 84520P (2012).
- Mazin, B. A., Bumble, B., Meeker, S. R., O’Brien, K., McHugh, S., Langman, E. A superconducting focal plane array for ultraviolet, optical, and near-infrared astrophysics. Opt. Express. 20 (2), 1503-1511 (2012).
- Mazin, B. A. . Microwave Kinetic Inductance Detectors. , (2005).
- McHugh, S., et al. A readout for large arrays of Microwave Kinetic Inductance Detectors. Rev. Sci. Instrum. 83 (4), 044702 (2012).
- Mazin, B. A., et al. ARCONS: A 2024 Pixel Optical through Near-IR Cryogenic Imaging Spectrophotometer. Publ. Astron. Soc. Pac. 123 (933), 1348-1361 (2013).
- Zmuidzinas, J. Superconducting Microresonators: Physics and Applications. Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 3, 169-214 (2012).
- Vijay, R., Slichter, D. H., Siddiqi, I. Observation of Quantum Jumps in a Superconducting. Artificial Atom. Phys. Rev. Lett. 106 (11), 110502 (2011).
- Krupka, J., Derzakowski, K., Tobar, M., Hartnett, J., Geyer, R. G. Complex permittivity of some ultralow loss dielectric crystals at cryogenic temperatures. Meas. Sci. Technology. 10 (5), 387-392 (1999).
- Cataldo, G., Wollack, E. J., Barrentine, E. M., Brown, A. D., Moseley, S. H., U-Yen, K. Analysis and calibration techniques for superconducting resonators. Rev. Sci. Instrum. 86 (1), 013103 (2015).
- Russell, D., Cleary, K., Reeves, R. Cryogenic probe station for on-wafer characterization of electrical devices. Rev. Sci. Instrum. 83 (4), 044703 (2012).
- Ranzani, L., Spietz, L., Popovic, Z., Aumentado, J. Two-port microwave calibration at millikelvin temperatures. Rev. Sci. Instrum. 84 (3), 034704 (2013).
- Patel, A., et al. Fabrication of MKIDS for the MicroSpec Spectrometer. IEEE Trans. Appl. Supercond. 23 (3), 2400404 (2013).
- Brown, A., Patel, A. High-Precision Thin Film Metal Liftoff Technique. , (2015).
- Laermer, F., Schlip, A. Method of anisotropically etching silicon. , (1996).
- Chen, D., Wang, Q., Shen, Z. A broadband microstrip-to-CPW transition. APMC 2005. Asian-Pac. Conf. Proc. 2 (4), (2005).
- Fano, U. Sullo spettro di assorbimento dei gas nobili presso il limite dello spettro d’arco. Il Nuovo Cimento. 12 (3), 154-161 (1935).
- Fano, U. Effects of Configuration Interaction on Intensities and Phase Shifts. Phys. Rev. 124 (6), 1866-1878 (1961).
- Marquezini, M. V., Kner, P., Bar-Ad, S., Tignon, J., Chemla, D. S. Density dependence of the spectral dielectric function across a Fano resonance. Phys. Rev. B. 57 (7), 3745-3748 (1998).
- Singh, R., Al-Naib, I., Cao, W., Rockstuhl, C., Koch, M., Zhang, W. The Fano Resonance in Symmetry Broken Terahertz Metamaterials. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 3 (6), 820-826 (2013).
- Giannini, V., Francescano, Y., Amrania, H., Phillips, C. C., Maier, S. A. Fano Resonances in Nanoscale Plasmonic Systems: A Parameter-Free Modeling Approach. Nano Lett. 11 (7), 2835-2840 (2011).
- O’Connell, A. D., et al. Microwave Dielectric Loss at Single Photon Energies and Millikelvin Temperatures. Appl. Phys. Lett. 92 (11), 112903 (2008).
- Weber, S. J., Murch, K. W., Slichter, D. H., Vijay, R., Siddiqi, I. Single Crystal Silicon Capacitor with Low Microwave Loss in the Single Photon Regime. Appl. Phys. Lett. 98 (17), 172510 (2011).
- Cataldo, G., Hsieh, W. T., Huang, W. C., Moseley, S. H., Stevenson, T. R., Wollack, E. J. Micro-Spec: an ultracompact, high-sensitivity spectrometer for far-infrared and submillimeter astronomy. Appl. Opt. 53 (6), 1094-1102 (2014).
