Süperiletken Rezonatörler Fabrikasyon ve Karakterizasyonu
Summary
Süperiletken mikrodalga rezonatörler ışık, kuantum bilgi işlem uygulamaları ve malzeme karakterizasyonu tespiti için ilgi çekicidir. Bu çalışma imalat ve süperiletken mikrodalga rezonatör saçılma parametrelerinin karakterizasyonu için ayrıntılı bir prosedür sunar.
Abstract
Bir süper-iletken mikrodalga rezonatörler hafif Astrofiziksel imza tespiti için mikrodalga kinetik endüktans detektörleri (MKIDs) olarak kullanımları da dahil olmak üzere, hem de Kuantum işlem uygulamaları ve malzeme karakterizasyonu, geniş bir uygulama aralığı için ilgi çekmektedir. Bu yazıda, prosedürler ince film süperiletken mikrodalga Rezonatörlerin imalat ve karakterizasyonu için sunulmuştur. imalat yöntemi, bir atomik düz tek kristal silikon dielektrik her iki tarafında özellikleri ile iletim hattı rezonatörler süperiletken gerçekleştirilmesi için izin verir. Bu eser bir kriyojenik mikrodalga yatağıyla içine ve süperiletken geçiş sıcaklığının altında soğuma için rezonatör cihazlarının kurulumu için prosedürü açıklanmaktadır. kriyojenik mikrodalga yatağıyla set-up pr çıkarma sağlayan kimse bu rezonatör cihazlarının karmaşık mikrodalga iletimi dikkatli ölçümler yapmak için izin verirCihaz tasarımı ve performans için önemli olan süperiletken hatları ve dielektrik tabanın (örneğin, iç kalite faktörleri, kayıp ve kinetik indüktans fraksiyonların) 'nin zellikler.
Introduction
Astrofizik enstrümantasyon gelişmeler son zamanlarda kızılötesi ışık tespiti için süperiletken mikrodalga resonatöre girmiştik 1 -. 4 Bir süperiletken rezonatör enerji E kızılötesi radyasyon cevap verecek = hv> 2Δ (Δ olan h Planck sabiti, v radyasyon frekansı ve nerede süperiletken boşluk enerjisi). Rezonatör de süper-iletken kritik sıcaklığın altında bir sıcaklığa kadar soğutulur, bu gelen radyasyonun rezonans hacmi Cooper çiftleri kırar ve quasiparticle uyarımları oluşturur. quasiparticle zorlamalara yoğunluk artışı dolayısıyla süperiletken karmaşık yüzey empedansı kinetik endüktansı değiştirir ve. Bu optik cevap daha düşük frekansa rezonans frekansında bir değişim ve rezonatörün kalite faktörü bir azalma olarak görülmektedir. Bir mikrodalga kine için kanonik okuma-out şemadatlc endüktans dedektörü (MKID) rezonatör mikrodalga besleme hattı birleştirilir ve bir rezonans tek mikrodalga frekansı tonu bu besleme hattı boyunca, karmaşık iletim izler. Burada, optik cevap genlik ve iletim 5 (Şekil 1) aşamasında hem de bir değişiklik olarak görülür. Frekans alanı çoğullama düzenleri Rezonatörlerin binlerce dizileri dışında okuma yeteneğine sahiptirler. 6-7
başarılı bir şekilde tasarlamak ve süper-iletken-rezonatör tabanlı aletleri uygulamak için, bu rezonans yapıların özellikleri doğru ve verimli bir şekilde, özelliği gerekir. Örneğin, gürültü özelliklerinin hassas ölçümleri, kalite MKID cihaz fizik, 8 kuantum bilgisayar, 9 bağlamında ve düşük- belirlenmesinde istenen Q, (onların sıcaklık bağımlılığı dahil) rezonans frekansları ve süperiletken Rezonatörlerin optik cevap özelliklerini faktörleri temperature malzeme özellikleri. 10
Tüm bu durumlarda ise, devrenin karmaşık iletim saçılma parametrelerinin ölçümü arzu edilir. Bu eser, rezonatör karmaşık iletim katsayısının belirlenmesi üzerinde yoğunlaşmaktadır olan genlik ve faz bir vektör ağ analizörü (VNA) ile ölçülebilir 21, S. İdeal olarak, VNA referans düzlemi (veya test noktası) doğrudan testi (DUT) altında cihaza bağlı olacak, ama bir kriyojenik ayar normalde RT arasında bir termal mola (~ 300 K) gerçekleştirmek için ek iletim hattı yapılarının kullanımını gerektirir ve soğuk aşaması (Bu çalışmada ~ 0.3 K; Şekil ure 2). Böyle yönlü kuplörler, sirkülatörler, izolatörler, amplifikatörler, zayıflatıcılar ve ilişkili birbirine kablolar gibi ek mikrodalga bileşenleri uygun hazırlamak, heyecanlandırmak, ilgi cihazı okumak ve önyargı gerekebilir.kriyojenik sıcaklıklara oda soğutma sırasında faz hızları ve bu bileşenlerin boyutları değişebilir ve bu nedenle cihazın kalibrasyon düzleminde gözlemlenen tepki etkiler. Alet ve cihaz kalibrasyon uçağı etkisi karmaşık kazanç arasındaki bu müdahale bileşenler uygun ölçülen tepki yorumlanmasında hesaba olması gerekir. 11
Teorik olarak, bir düzen DUT kalibrasyon sırasında kullanılan birine benzer ölçüm referans düzlemi, ayarlar gereklidir. Bu hedefe ulaşmak için, bir çoklu serin-çıkışlar üzerinde kalibrasyon standartları ölçebilir; Ancak, bu elde etmek zordur VNA istikrar ve kriyojenik enstrümanın tekrarlanabilirliği kısıtlamalar, pozlar. Bu kaygıları azaltmak için, bir soğutulmuş test ortamında gerekli standartları yerleştirmek ve aralarında geçiş olabilir. mikrodalga prob istasyonlarında bulunan ne buna benzer, örneğin, bir, Örnek ve kalibrasyon standartları 12 Bu yöntem, alt kelvin sıcaklıklarında gösterilmiştir. Sürekli sıvı helyum akımı veya kapalı devre soğutma sistemi tarafından 4 K soğutulmuş ama düşük güç, yüksek performanslı mikrodalga anahtarı gerektirir nerede Test ilgi bant. 13
Bir in-situ kalibrasyon prosedürü nedenle VNA referans düzlemine ve yukarıda tarif edilen yöntemlerden sınırlamalarının üstesinden cihazın kalibrasyon düzleminin (Şekil-2'de) arasında aracı iletim yanıt oluşturan arzulanan edilir. Bu kriyojenik kalibrasyon yöntemi, sunulan ve Cataldo ve ark., 11 ayrıntılı olarak ele bir geniş ~% 1 hassasiyetle rezonatör çizgi genişliği ve inter-rezonatör aralığına göre frekans aralığında birden rezonatörler karakterize etmesine olanak sağlar. Bu yazıda örnek üretim ve hazırlık detayları üzerinde durulacakpreparasyonu süreçleri, deneysel test set-up ve ölçüm prosedürleri düzlemsel hat geometrileri ile süperiletken mikrodalga rezonatörleri karakterize etmek için kullanılan. 11
Protocol
Representative Results
Discussion
tek çevirme fabrikasyon işlemi ince 0.45 mikron tek kristal Si alt-tabakanın her iki tarafına da süper-iletken rezonatörler gerçekleştirmek için bir araç sağlar. Biri 1 x 10 4,0-6,5 GHz frekans aralığında <kaybı teğet ile (örneğin Si 3 N 4 gibi) yatırılan dielektrikler daha büyüklüğünü daha düşük kayıp bir sipariş daha var, çünkü tek kristal Si dielektrik kullanmak için motive olabilir – Bu alt-tabaka, bir ışık ve düşük rezonans-to-rezonatörü…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA) 'nın GÜL ve APRA programlarından finansman desteği kabul. GC ayrıca NASA yaptığı randevu verilmesi için Üniversiteler Uzay Araştırma Derneği kabul eder.
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).
