Fabrikasjon og karakterisering av Superledende resonatorer
Summary
Superledende mikrobølgeovn resonatorer er av interesse for påvisning av lys, quantum computing programmer og materialer karakterisering. Dette arbeidet viser en detaljert fremgangsmåte for fremstilling og karakterisering av superledende mikrobølge resonator spredningsparametere.
Abstract
Superledende mikrobølgeovn resonatorer er av interesse for en rekke bruksområder, blant annet for deres bruk som mikrobølgeovn kinetiske induktans detektorer (MKIDs) for påvisning av svake astrofysiske signaturer, samt for quantum computing programmer og materialer karakterisering. I denne utredningen, er prosedyrer presenteres for fabrikasjon og karakterisering av tynnfilm superledende mikro resonatorer. Fabrikasjon metodikk gjør det mulig for realisering av superledende transmisjonslinjen resonatorer med egenskaper på begge sider av en atomisk glatte enkeltkrystall silisium dielektrikum. Dette arbeidet beskriver fremgangsmåten for installasjon av resonator enheter i en kryogenisk mikrobølgeovn teststed og for nedkjøling under den superledende overgangstemperatur. Oppsettet av den kryogene mikrobølgeteststed gjør det mulig å gjøre forsiktig målinger av den komplekse mikrobølgetransmisjonen av disse resonatoranordninger, slik at uttrekkingen av properties av de superledende ledninger og dielektrisk substrat (f.eks interne kvalitetsfaktorer, tap og kinetiske induktans fraksjoner), som er viktige for enheten utforming og ytelse.
Introduction
Fremskritt i astrofysiske instrumentering har nylig innført superledende mikrobølge resonatorer for påvisning av infrarødt lys 1 -. 4 En superledende resonator vil reagere på infrarød stråling av energi E = hv> 2Δ (hvor h er Plancks konstant, v er den strålingsfrekvensen og Δ er den superledende gapet energi). Når resonatoren er avkjølt til en temperatur godt under den superlederen kritiske temperatur, bryter dette innfallende stråling Cooper parene i resonatorens volum og genererer quasiparticle eksitasjoner. Økningen i tetthet av quasiparticle eksitasjoner endrer kinetiske induktans, og således den komplekse impedansen overflaten av superlederen. Denne optiske respons observeres som en forskyvning av resonansfrekvensen til lavere frekvens, og en reduksjon i kvalitetsfaktoren av resonatoren. I den kanoniske lest ut ordningen for en mikrobølgeovn kinetic induktans detektor (MKID), er resonatoren er koplet til en mikrobølgetilførselsledning og en overvåker den komplekse overføring gjennom denne tilførselsledning på et enkelt mikrobølgefrekvens tone på resonans. Her er den optiske responsen observert som en forandring i både amplitude og fase for overføring 5 (figur 1). Frekvensdomenet multipleksing ordninger er i stand til å lese ut matriser med tusenvis av resonatorer. 6-7
For å kunne utforme og implementere superledende-resonator-baserte instrumenter, egenskapene til disse resonansstrukturene må karakteriseres nøyaktig og effektiv måte. For eksempel, presisjonsmålinger av støyegenskaper, kvalitetsfaktorer Q, resonansfrekvenser (inkludert deres temperaturavhengighet), og optiske responsegenskaper av superledende resonatorer er ønsket i forbindelse med MKID anordning fysikk, 8 kvantum databehandling, 9 og bestemmelse av lav- temperature materialegenskaper. 10
I alle disse tilfeller, er måling av kretsens kompliserte transmisjonsspredningsparametere ønskelig. Dette arbeidet konsentrerer seg om bestemmelse av resonatoren komplekse transmisjonskoeffisient, S 21, hvis amplitude og fase kan måles med en vektor nettverksanalysator (VNA). Ideelt sett ville det VNA referanseplanet (eller testporten) kobles direkte til enheten under test (DUT), men en kryogenisk innstilling normalt krever bruk av ytterligere transmisjonslinjestrukturer for å realisere en termisk sperre mellom romtemperatur (~ 300 K) og den kalde fasen (~ 0,3 K i dette arbeidet, se figur ure 2). Ytterligere mikrobølgekomponenter, som retningskoplere, sirkulatorer, isolatorer, forsterkere, lyddempere, og tilhørende forbindelseskabler kan være nødvendig for å fremstille passende, eksitere, lest ut og forspenningen anordningen av interesse. Defasehastigheter og dimensjoner av disse komponentene variere ved kjøling fra rom til kryogene temperaturer, og derfor påvirke de den observerte respons ved anordningen kalibreringsplanet. Disse mellomliggende komponentene mellom instrumentet og enheten kalibreringsplanet innflytelse komplekset gevinst og må være riktig høyde for i tolkningen av den målte responsen. 11
I teorien er et skjema nødvendig som setter målereferanseplan, identisk med den som anvendes under kalibrering ved DUT. For å nå dette målet, kan man måle kalibreringsstandardene over flere kule-downs; utgjør imidlertid dette begrensninger på stabiliteten av VNA og repeterbarhet av den kryogene instrument, som er vanskelig å oppnå. For å dempe disse bekymringene, kan man plassere de nødvendige standarder i den avkjølte testmiljøet og bytte mellom dem. Det er, for eksempel, i likhet med det som er funnet i mikrobølge-probe stasjoner, Der prøven og kalibreringsstandarder avkjøles til 4 K av en kontinuerlig flytende helium flyt eller en lukket syklus kjølesystem. 12 Denne metoden ble demonstrert ved sub-Kelvin temperaturer, men krever et lavt strømforbruk, høy ytelse mikrobølgeovn bryteren i test band av interesse. 13
En in-situ kalibreringsprosedyren er derfor ønskelig som svarer for den instrumentelle overføringsresponsen mellom VNA referanseplanet, og anordningen kalibreringsplanet (Fig ure 2), og som overvinner begrensningene ved de ovenfor beskrevne metoder. Det kryogene kalibreringsmetode, presentert og diskutert i detalj i Cataldo et al. 11, gjør det mulig å karakterisere multiple resonatorer over et bredt frekvensområde i forhold til resonatoren linjebredde og inter-resonator avstanden med en nøyaktighet på ca. 1%. Denne artikkelen vil fokusere på detaljene i prøven fabrikasjon og prepFraskilling prosesser, eksperimentelle test set-up og måleprosedyrer som brukes for å karakterisere superledende mikro resonatorer med plane linjer geometrier. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
Enkelt-flipfremstillingsprosessen tilveiebringer et middel for å realisere supraledende resonatorer på begge sider av en tynn 0,45-um enkeltkrystall Si-substrat. Man kan bli motivert til å bruke en enkeltkrystall Si dielektrisk fordi den har mer enn en størrelsesorden lavere tap enn avsatt dielectrics (som Si 3 N 4) med tap tangenter i 4,0 til 6,5-GHz <1 x 10 – 5 23-24. evnen til mønsteret har på begge sider av dette underlaget gjør det mulig å ansette en microstrip…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne erkjenner finansiell støtte fra National Aeronautics and Space Administration (NASA) s ROSES og apra programmer. GC erkjenner også Universities Space Research Association for å administrere sin avtale på 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
- 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).
